“东方超环”核聚变实验装置

张素贞

人类曾赖以生存的传统能源——煤炭、石油、天然气正在逐渐枯竭，据预测，它们的服务时间最多只够再维持两三百年。面对如此严峻的“能源危机”，人类将视线转移到太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能等新能源上，但因技术和自然因素的限制，其产生的能量仍无法满足人类需求。

一筹莫展之际，人类从太阳身上得到了灵感。每天都在发光发热的太阳拥有无穷的能量，而给予它能量的正是太阳核心所发生的核聚变反应，科学家便由此联想到人为制造核聚变反应，从而释放出可以为人类所用的能量。氢弹就是人类已经实现的一种核聚变反应产物，但氢弹的问题是能量缓释无法控制，所以它爆炸的一瞬间形成了可以毁灭地球的杀伤力。为了将这种具有强大杀伤力的能量转化为可以为人类所用的能源，一系列受控热核聚变能的研究相继展开。

我国科技工作者独立设计制造的“东方超环”核聚变实验装置，是世界首个全超导托卡马克装置，通过将反应原料加热到上亿摄氏度（比太阳核心温度高十倍）来实现可控核聚变反应。因为这一实验的反应原理与太阳相同，因此也被称为“人造太阳”项目。

诊断系统

“东方超环”在进行实验时，科学家们需要全程监控它的各项反应参数。然而由于“超高温度”造成的极限环境很难直接测量，科学家们就“迂回”地采用光谱分析来推导里面的各项参数数据。这种方法很像医生通过听诊来判断人体内的健康情况，因此将极限环境下的测量系统称为诊断系统。

微波加热系统

采取家用微波炉的微波共振原理，通过数万倍于家用微波炉的加热功率将聚变燃料的温度加热到上亿摄氏度，以达到核聚变所需的反应温度（相当于数万个家用微波炉同时运转）。

电流引线系统

将变电站中的“超大电流”（家用电流的1万倍）输入到“东方超环”的通电线圈中，以此产生“超强磁场”。因该系统须暴露在室温环境下，无法使用超导材料，所以电流引线很粗，并且外面还包覆一层水循环冷却系统来降低温度。

低温分配系统

为“东方超环”上的超导材料分配低温冷却剂（主要是零下269摄氏度的液氦），使超导导体达到所需的低温，从而实现“超大电流”在超导材料上“无阻碍”地通过。

抽真空系统

“东方超环”同时存在着“上亿摄氏度”和“零下269摄氏度”两个极限温度，真空是有效隔热的主要手段，也是在地球上盛装“上亿摄氏度”聚变燃料的基础。抽真空系统可以将整个装置主机内抽成需要的真空环境，为有效隔绝极高温与极低温奠定基础，并为核聚变反应提供纯净环境。

中性束注入系统

利用中性粒子不受磁场控制的原理，将加速后具有巨大动能的中性粒子与带电粒子进行碰撞来传递能量，从而加热聚变材料。

“东方超环”上的“超级”环境

超级热的核心温度

“东方超环”上的核心温度很高，因为只有达到1亿摄氏度以上，才具备实现核聚变反应的条件。而太阳的核心温度才1500万摄氏度，也就是说，“东方超环”的核心温度比太阳还要高上数倍。在如此高的温度下，所有物质都会以物质的第四种状态（即等离子体）存在。这些超高温的等离子体会像脱缰的野马一样四处逃窜，足以烧蚀任何固态物质。所以，必须要制造出一种可以控制这些“等离子体”的“超级容器”来限制它们的运动。那么，这个“超级容器”是什么呢？

先进超导托卡马克实验装置的等离子体

超级强的控制磁场

等离子体是一种内部带电的特殊气体。科学家们利用其带电特性，用一种“强磁场”来实现对这种极高温气体的控制。在“东方超环”上，这种磁场的强度可以达到地球磁场的10万倍。强磁场的磁感线像一条条无形的“锁链”，将高速运动的等离子体粒子牢牢地“拴”住，从而实现对超高温等离子体的约束，避免这些超高温度的等离子体将装置烧毁。那么，如此强大的磁场要如何产生？

超级大的通电电流

超强的磁场由超大的电流产生。“东方超环”上产生的电流最大可达家用电的1万多倍。对于这么大的电流，承载的导线要做到很粗才不会被烧断，但与此同时，能量也会在导线上白白损耗掉。为了解决这一问题，“东方超环”采用了超导导线。超导具有在低温状态下电阻消失的特性。因为没有了电阻，所以无论多大的电流通过，都不会产生发热现象。这样一来，“东方超环”所使用的导线就能变得很细了。那么，如何在“东方超环”上营造低温环境？

等离子容器内部

超级冷的超导线圈

为了使超导导线持续稳定地处在超导状态，“东方超环”上的导线是浸入在零下269摄氏度的液氦中的。也就是说，在“东方超环”上，不仅存在1亿摄氏度的超高温，还存在零下269摄氏度的超低温，而这两个极限温度之间的距离只有一米多远。这么高的温差对装置材料的损伤很大。为了消除极大温度差异对部件材料的影响，“东方超环”的各个部件都处于真空状态，以減少部件之间的热传导。

超级净的真空环境

真空是一种非常稀薄的气体，由于里面的粒子密度很低，热传导很慢，所以真空有着比较优良的隔热性能。在我们日常生活中，用来盛放开水的暖水瓶应用的就是真空隔热的原理。只不过，暖水瓶的瓶身真空度比较低，而“东方超环”的真空度则高得多。在“东方超环”的核心，真空度维持在大气压的一千亿分之一左右，而且，“东方超环”的真空环境是非常洁净的。

国际热核聚变实验反应堆（ITER） 示意图，以红圈中的两米高人形作为参照物来显示其大小

国际核聚变研究发展概况

对于核聚变装置来说，磁场形状是多样的。目前，国际上主要采用一种像甜甜圈的圆环形“磁笼子”来进行核聚变实验，这种环形装置有个通用的名字——托卡马克。

20世纪50至60年代，苏联科学家首次提出了托卡马克的概念，并建造了世界上第一台托卡马克装置，取名T-1。在这之后，世界各国的科学家相继建造了大大小小超过100座托卡马克装置，实验参数也在不断刷新。

为了实现托卡马克长时间稳定运行，科学家引入“超导”概念，开始建造超导托卡马克。2006年，中国率先建起世界上第一台全超导托卡马克装置——“东方超环（EAST）”。随后，韩国也建起了全超导托卡马克装置“韩国之星（K-star）”。目前，欧盟、美国、俄罗斯、中国、日本、韩国和印度正联合在法国建造一个更大的超导托卡马克装置——国际热核聚变实验堆（ITER）。

全超导的托卡马克不断刷新着已有非超导托卡马克的运行纪录，其稳定运行时间由原来的几秒钟，被逐渐延长至几十秒，几百秒。未来，科学家们还将继续努力，使运行时间达到数小时甚至全天。到那时，人类将建造起一座座核聚变电站，这些电站产生的电能可以满足人类所有的生活需要。