探秘“人造太阳”

　　“赤日炎炎似火烧”。有气象学家预测今年很有可能成为有气象记录以来最热的一年，“全球变暖”对人类生存的威胁迫在眉睫。国际社会已经行动起来，有些科学家甚至想出了种种为地球降温的“特别手段”（参见本刊5月号的《给地球“退烧”》）。
　　在中国安徽省的省会合肥，一群科学家正围绕着一个神秘的巨大装置（见上图）埋头苦干。这个装置的安装、调试和运行吸引着来自世界各地的目光，它有一个很“东方”的名字：EAST。但是，更多的人管它叫做“人造太阳”。
　　什么？天上有一个太阳还不够吗？这两件事又有什么联系呢？
　　
　　神说，要有光。就有了光。——《圣经·旧约》
　　
　　在许多民族的上古传说中，最初的世界都被描述为幽冥黑暗的，而光明是神所赐予的。现在我们知道，地球上的人类所沐浴的光明和温暖都源自太阳。事实上，很多古代文明中都有太阳神崇拜，太阳是光明之神。
　　随着科学的进步，人们知道神秘的“太阳神”不过是一颗普通的恒星。但是太阳之火是怎么燃烧的？这个问题一直困扰着人们。有人曾设想太阳可能是个巨大的煤球，可是一计算，发现这么大的“煤球”也只够烧几千年，而太阳已经“烧”了几十亿年了，如今仍处于“壮年期”。再说太阳表面就有6000摄氏度，其内部温度高达1500万摄氏度，靠普通煤炭燃烧根本达不到这个温度。自然，把煤炭换成别的我们平常所熟知的燃料也同样不成。
　　19世纪末，当时的地质学家和生物学家们都肯定地认为，地球至少存在了几十亿年（现在我们知道这个数字约为46亿）。伟大的英国物理学家开尔文爵士用他的余生致力于太阳年龄的研究，他考虑了各种可能的因素，用当时最先进的物理和天文知识进行精密计算，最后认为太阳的年龄最多不超过6亿年。于是得出一个令人奇怪的结论：地球竟然比太阳要老得多！
　　开尔文显然错了，错就错在他还是没能弄懂太阳“燃烧”的秘密。当然，那个时候没有任何一个人知道这个秘密。难道，这真的是神的杰作？
　　
　　神啊，赐予我力量吧！——美国卡通片《希曼》
　　
　　让我们先撇开这个秘密，来感谢一下太阳吧。她带给世界一片光亮，给我们温暖，使万物生长……但也许最重要的，是她赐予我们宝贵的能源。
　　什么是能源？黑夜中点燃的一把火是能源，而被点燃的木材、草料都来自靠阳光生长起来的植物；我们开启各种电器所用的电、开动汽车所用的汽油、烧饭用的燃气都是能源，而发电用的煤、汽油的原料石油以及作为燃气的天然气，这些燃料其实都是远古生物的遗存（所以它们又叫化石能源），它们“生前”也都靠阳光汲取能量；当然水力和风力也是能源，但别忘了，如果没有太阳，大气循环和水循环将不复存在，当然也没法用它们来发电；而太阳能……就更不用说了。
　　我们每一天的生活都离不开能源，但你也一定听说过“能源危机”这个词。地球人大量使用煤、石油等化石能源，已经到了依赖的程度。不过，这些能源并非可以无限量供应。从目前探明的储量来看，地球上的石油还能开采40年左右，天然气还能开采大约60年，而煤炭也只有200年可挖。请你想象一下它们都被开采一空的那一天的情景……
　　另一个严重的问题是环境污染和温室气体排放。
　　大力发展水力、风力和太阳能等可再生能源是一个解决途径，但它们不足以解决所有的问题，舒服惯了的现代人不太愿意再回头去过那种出门不坐车、晚上少点灯的简朴生活了。
　　怎么办？像希曼一样祈求神的恩赐？
　　
　　我是死神，我是世界的毁灭者。——印度古诗
　　
　　 在世界上第一枚原子弹的爆炸试验现场，人称“原子弹之父”的奥本海默想起了这首印度古诗。爆炸的威力比他原先估计的大了近20倍。
　　人们经常把原子能的发现归功于大名鼎鼎的爱因斯坦，因为他提出了那个著名的公式：E=mc²，也就是“能量=质量×光速的平方”。通俗一点说，就是他发现了任何一个物体中都蕴藏着能量，因为光速的平方是个很大的数字（9后面16个0），所以每1克物质中都含有惊人的能量。
　　你如果想更形象地记住这一点，可以试想着拔出自己的一颗大牙，拿到天平上去称一下，它的质量差不多就是1克。代入公式计算，你会发现这颗牙中蕴藏着9×10¹³（9后面13个0）焦耳的能量，这基本上相当于燃烧3000吨煤才能得到的能量，如果瞬间释放的话，则相当于爆炸了2万吨TNT炸药！
　　一颗牙里面就蕴藏着这么大的能量，我们怎么察觉不到？爱因斯坦回答说，那是因为它的能量没有释放，就像一个守财奴，他从来不花钱，所以我们也就不知道他其实很有钱。
　　1938年，德国科学家在实验室里用一个中子去轰击一团叫做铀的重金属，结果发现铀的原子核在轰击下分裂成两半，同时释放出两三个新的中子来，这些中子“飞”出去的时候撞击到了附近的原子核，使它们也发生了裂变。就这样一个变两个，两个变四个……而每一个原子核裂变时，都释放出了巨大的能量。仔细观察的话，会发现这些原子核裂变后的“碎片”加起来要比原来稍微轻一点。这稍微损失了一点的质量，就是巨大能量的来源。爱因斯坦的公式发挥作用了！
　　人类找到了新的能量来源。但可惜的是，它首先被用来制造杀人武器。1945年，两颗原子弹被分别投在了日本的广岛和长崎，两座城市瞬间化为焦土。
　　战争结束后，人们意识到这玩意儿弄不好会毁了全世界，开始对核活动进行严格管束。1954年，第一座核电站在前苏联投入运行，人类走上了和平利用核能之路。
　　
　　长翅膀的不一定是天使，也可能是鸟人。——网络流行语
　　
　　现在全世界共有400多座建成的核电站，其中我国有4座。核电站和原子弹利用的基本原理一样，都是铀的核裂变反应。不同的是，原子弹是瞬间的爆发，而核电站则是让这种巨大的能量在人工控制下缓慢而温和地释放，这样就能用于发电，为人类造福。
　　然而人们很快发现，问题并不像原先设想的那么简单。
　　首先是核电站的原料也是极其有限的。能够用来进行裂变反应的铀在自然界中的含量非常少，目前探明的全球铀矿储量按现有的消耗量计算，只能供人类再使用40年左右。
　　更糟糕的是，核电站在发电的同时也产出了具有高放射性的核废料，这些物质非常“毒”，人受到它的辐射就会患上癌症甚至送命。人们现在一般把它们深埋在地下或弃之于荒岛，但这仍然不能让人放心，因为它会污染环境，使周围的物质也染上辐射性，如果地壳再发生个变动什么的，后果不堪设想。要命的是，这种放射性在上万年甚至百万年间都不会消失，谁知道这期间会发生什么！
　　最让人心悸的是核泄漏事故。1986年4月26日清晨，前苏联的切尔诺贝利核电站发生核泄漏，随即8吨多强辐射物质喷涌而出，欧洲大部分地区受到影响，320万人受到辐射侵害，受污染地区陆续有9000多人死于各种癌症，那里的人们至今仍在核泄漏的阴影下生活。
　　
　　我有一个美丽的愿望，长大以后要播种太阳。——儿歌《种太阳》
　　
　　又回到最前面的问题——那么，太阳是怎么“燃烧”的？
　　要知道这个秘密，必须了解太阳是由什么东西组成的。这看上去有点困难，谁也不可能跑到太阳上去取点物质回来分析。但在1859年，德国的一位物理学家和一位化学家合作，发明了一种“光谱分析法”。通过这种方法，人们终于发现了太阳的化学元素组成。
　　原来，太阳主要是由氢元素和氦元素组成的。氢和氦是两种非常轻的气体。以前节日里我们经常可以看到在街头卖的那种能飘在空中的气球就是氢气球，因为氢极易燃烧爆炸，不安全，所以现在都要求改用氦气球。
　　但可别想当然地以为太阳上的氢气在燃烧，其实，它们不是在燃烧，而是在进行着大规模的核反应，但这种反应跟前面说的核裂变大不相同。重的铀原子核是在中子的轰击下一个分裂成两个，而轻的氢原子核是在引力和高温的作用下四个聚合成一个，变成了一个氦原子核。而这一个氦原子核要比原先四个氢原子核加起来稍微轻一点。这一点损失掉的质量到哪里去了？你肯定已经知道了，根据爱因斯坦的E=mc²，它们转化为巨大的能量被释放出来了，这就是太阳的光和热。
　　
　　这个过程叫做核聚变，因为它必须在高温条件下才能进行，所以又叫热核反应。
　　于是人们在想，能不能利用这个原理，在地球上“复制”一个小太阳，从而获得巨大的能量来源？
　　
　　上善若水。——《老子》
　　
　　1952年11月1日，太平洋小岛比基尼的上空出现一个耀眼的“小太阳”，那是美国成功炸响了世界上第一枚氢弹。氢弹很小，但它释放的能量却相当于几十颗原子弹，产生了地球上从未有过的超高温，这才是超级恐怖的大规模杀伤性武器！但是氢弹也带给人希望，因为这就是成功进行的“热核反应”啊！
　　第一颗原子弹爆炸后不到十年，第一座核电站就建成发电了，所以当时人们乐观地估计，氢弹一响，最多十几二十年，人类就可以用上“太阳之火”了。许多国家的政府开始加紧秘密研究工作，希望成为第一座聚变能电站的拥有者。
　　为什么要秘密研究？这不是军事上的原因，而是因为它一旦研究成功，对人类的影响实在是太巨大了。
　　用来聚变的“原料”是氢的两种同位素氘（念“刀”）和氚（念“川”）。地球是一颗蓝色星球，拥有浩瀚的海洋，而海水中总共蕴藏了大约40万亿吨氘。1升海水中提取出的氘，如果用于核聚变，相当于燃烧300升汽油，整个大海中氘的聚变能量如果全部释放出来，足够人类使用100亿年。那哪儿是大海啊，根本就是个取之不尽、用之不竭的能源库！
　　更美妙的是，核聚变不会像核裂变那样产生污染环境的放射性核废料，也不产生温室气体，是完全干净的能源。同时，核聚变电站也非常安全，因为受控的聚变反应可以在稀薄的气体中稳定地进行，气体一旦泄漏，这些本来就稀薄的气体散发到空气中，失去了高温高压的条件，反应就会自动停下来。
　　这简直是完美的能源！未来用上核聚变发电的人们回顾历史时，可能会可怜我们这些为汽油涨价、煤矿爆炸担心，甚至为了争夺能源而大打出手的“古人”。
　　
　　蜀道难，难于上青天。——李白《蜀道难》
　　
　　但是50多年过去了，核聚变发电站还是没有出现。最乐观的人们也不得不承认，这件事太难了。
　　到底难在哪儿？
　　氢弹的成功爆炸证明，人可以制造出太阳上存在的核聚变反应。但是氢弹一旦爆炸，人们就无法控制。而发电厂并不需要一次爆炸，需要的是让能量缓慢持续地释放。问题就是如何控制。
　　我们知道，氢原子核带有正电荷，它们之间相互排斥。而要想进行核聚变，非得把它们挤压到非常非常近的距离不可。这就需要一个超高的温度，在高温高压下，氘原子核疯狂地运动、碰撞，总有一部分原子核可以相互接近到足够发生反应的距离。在太阳这样一个如此庞大的星体上面，只要约1500万摄氏度就可以“点火”了。但在地球上，这个温度则需要近亿摄氏度。氢弹爆炸是靠原子弹爆炸产生的高温“点火”的，但是要想发电，可不能打原子弹的主意。
　　随着科技的发展，科学家们已经能够在实验室里通过激光、超强电磁波等方式达到上亿摄氏度的高温，但是另一个问题随之而来。就像火力发电需要“燃烧炉”，核能发电也需要一个“容器”，让气体在里面老老实实地发生反应，那么，有什么东西能承受住近亿摄氏度的高温而不被熔化呢？
　　
　　瓶口被锡封着，盖有所罗门的大印。——《渔夫和魔鬼的故事》
　　
　　科学家总是有古怪的想法，比如这个：能不能既把它们关在“瓶子”里，又不让它们碰到这个“瓶子”？这样就能既约束住它们，又不会被它们的高温熔化掉了。
　　解决了这个问题，实现受控核聚变就能走出关键的一步。
　　安徽合肥的那个“人造太阳”EAST就是这样的一个实验装置，它的正式名称叫做托卡马克（俄语缩写，意为磁线圈圆环室）。你吃过甜面包圈吗？托卡马克里面就有一个如同甜面包圈形状的空腔，空腔内是真空，其外是能够产生磁场的线圈。这个家伙当然不是用来烤面包圈的——科学家们把少量的“轻核燃料”放进去，一通电，在强大磁场的作用下，它们就悬浮在空中。加热后，上亿摄氏度的等离子体（气体再加热后的形态）就在这空腔里转啊转啊，好像游乐场里的旋转木马——它们不会接触到容器壁，不会惹出乱子来。
　　这有点像传说中的所罗门的魔瓶，不过起作用的不是魔法（magic）而是磁场（magnetic field）。
　　
　　没有比脚更远的路。——汪国真《山高路远》
　　
　　一切都OK了？还远远没有。
　　EAST自去年建成到现在，已经做了两轮放电实验，获得了最大500千安的电流，最大重复放电时间达到9秒，而其设计目标是要达到1000秒的放电时间。此前世界上其他托卡马克装置最长的放电时间是240多秒。
　　看来这个家伙真的能“发电”，但只是短短一瞬。人们为每一次放电时间的增加而欢呼，企盼它能一直增加到一个小时、一天、一周、一个月……可是科学家告诉人们，不要太心急，因为要真正实现它的稳态运行，还有许多眼下不能克服的技术困难。
　　另一个问题是，这家伙到现在还是“只赔不赚”，或者刚刚够“保本”而已——输出功率小于输入功率。就是说，为了让它放电，必须得先给它通电，而它放出来的电还不够它自己用掉的。
　　诸多问题需要各国科学家共同来解决，因此在这个领域里没有秘密可言。2005年，由美国、欧盟、中国、俄罗斯、日本、韩国等多方共同参与，在法国南部建立了国际热核聚变实验反应堆(Inter)。还有其他许多科学家在研究托卡马克之外的别的受控核聚变装置。最乐观的估计，30到50年后，也就是在各位读者白发苍苍的时候，核聚变将能够用于商业发电。
　　路很远，也许比我们想象的还要远。但执著的人们不会停下脚步，因为他们知道，前方就是无限光明的未来。