李會(huì)超

太陽(yáng)每天東升西落，給予地球光和熱。植物利用太陽(yáng)光的能量，可以進(jìn)行光合作用，為地球提供源源不斷的氧氣和有機(jī)物。煤和石油等化學(xué)燃料中蘊(yùn)含的能量，歸根結(jié)底也來(lái)自遠(yuǎn)古植物的光合作用。所以，可以說(shuō)太陽(yáng)就是地球的能量之源。

我們已經(jīng)知道，太陽(yáng)的光和熱來(lái)自“核聚變”。那么，核聚變到底是什么？它的威力有多大呢？一起來(lái)探秘吧！

釋放巨大能量的核反應(yīng)

汽車在行駛時(shí)能夠?qū)⑷加偷幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)汽車的動(dòng)能;煤爐在燃燒時(shí)會(huì)將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能（也稱“內(nèi)能”）;火力發(fā)電廠則是將煤或石油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供大家使用。在我們的日常生活中，燃燒煤和石油，是獲取能量最常見(jiàn)也是最便捷的方式。在燃燒產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)中，化合物中的原子改變了組合的方式，但原子本身的元素種類沒(méi)有改變。

20世紀(jì)初，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種更有效的釋放能量的方式——核反應(yīng)。與化學(xué)反應(yīng)不同的是，在核反應(yīng)過(guò)程中，原子本身的元素種類會(huì)發(fā)生改變。核反應(yīng)后生成的物質(zhì)質(zhì)量比核反應(yīng)之前要小，而減少的那部分物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了能量。

核反應(yīng)分為核聚變和核裂變兩種。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，核聚變是幾個(gè)小原子核聚合成一個(gè)大的原子核，而核裂變則是一個(gè)大原子核裂變成幾個(gè)小原子核。早在“二戰(zhàn)”末期，人們就已經(jīng)開(kāi)始利用原子能制造威力巨大的新型武器——原子彈。1945 年，美國(guó)向日本的廣島和長(zhǎng)崎投下兩顆原子彈，給日本造成了巨大的災(zāi)難，使日本最終放棄抵抗，無(wú)條件投降。而這也是原子彈在實(shí)戰(zhàn)中的唯一一次應(yīng)用?！岸?zhàn)”之后，美國(guó)和蘇聯(lián)相繼研發(fā)了威力更大的氫彈。氫彈和原子彈一樣，也都是利用核反應(yīng)釋放的巨大能量，爆炸產(chǎn)生殺傷力。但氫彈與原子彈不同的是，氫彈利用的是核聚變反應(yīng)，而原子彈利用的是核裂變反應(yīng)。

無(wú)論原子彈還是氫彈，都是不可控的核反應(yīng)形式。它們可以在戰(zhàn)爭(zhēng)期間快速摧毀敵方的城市，卻不能在和平時(shí)期為人們所用。在原子彈出現(xiàn)之后，人們又發(fā)明了可以控制的“核裂變反應(yīng)堆”。在反應(yīng)堆中，人們可以通過(guò)注入粒子的數(shù)量控制核反應(yīng)的速率，從而讓核反應(yīng)緩慢逐步地發(fā)生。在民用領(lǐng)域，核反應(yīng)堆被應(yīng)用到核電廠發(fā)電;而在軍事領(lǐng)域，核反應(yīng)堆則為核動(dòng)力航空母艦和潛水艇等提供了強(qiáng)勁而持續(xù)的動(dòng)力。

目前，可以使用的核裂變?nèi)剂霞昂朔磻?yīng)之后的生成物，都具有對(duì)人體和環(huán)境有害的放射性。因此，無(wú)論是核反應(yīng)堆的日常運(yùn)行，還是核廢料的處理，都要特別小心。

與核裂變相比，核聚變使用的原料更加清潔，放射性污染的風(fēng)險(xiǎn)更小。然而，核聚變發(fā)生的條件十分苛刻，目前人們還沒(méi)有完全掌握可控的核聚變技術(shù)。但是，你知道嗎，一種可控的核聚變已經(jīng)在太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行了幾十億年。

太陽(yáng)內(nèi)部的可控核聚變

核聚變只有在原子克服了彼此之間的超強(qiáng)靜電斥力，彼此接近到距離非常近的程度時(shí)才有可能發(fā)生。在引爆氫彈時(shí)，觸發(fā)核聚變靠的是先行引爆的一顆小型核裂變?cè)訌椝a(chǎn)生的溫度和壓強(qiáng)。而太陽(yáng)這樣的恒星，發(fā)生核聚變靠的則是自身物質(zhì)在重力作用下的擠壓。在太陽(yáng)形成的過(guò)程中，原始星云的物質(zhì)不斷向中心收縮，中心的密度和壓強(qiáng)持續(xù)增高，迫使氫原子核相互接近，進(jìn)而觸發(fā)了核聚變反應(yīng)，形成了原恒星。

當(dāng)太陽(yáng)由原恒星成長(zhǎng)為一顆成熟的恒星后，核反應(yīng)的速率與恒星物質(zhì)的重力達(dá)到了精妙的平衡。如果太陽(yáng)從平衡態(tài)向外膨脹，中心受到的擠壓減小，核反應(yīng)的速率就會(huì)降低，產(chǎn)生的能量就會(huì)減少，恒星中心的溫度就會(huì)下降。這樣一來(lái)，恒星中心向外膨脹的力無(wú)法支撐恒星向中心收縮的重力，膨脹過(guò)程就無(wú)法持續(xù)。相反，如果太陽(yáng)從平衡態(tài)向內(nèi)收縮，就會(huì)使核反應(yīng)加速，產(chǎn)生更大的向外膨脹的力，收縮過(guò)程同樣無(wú)法持續(xù)。總之，一旦步入壯年，太陽(yáng)向外擴(kuò)張便會(huì)后勁不足，向內(nèi)收縮又會(huì)受到很大的抵抗力，因此它只能保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定的可控核聚變。

在太陽(yáng)的內(nèi)部，核聚變反應(yīng)僅僅發(fā)生在日核區(qū)，因?yàn)橹挥羞@個(gè)區(qū)域的密度和壓強(qiáng)能夠滿足核聚變反應(yīng)的要求。在日核區(qū)高溫高壓的環(huán)境下，太陽(yáng)中的氫原子持續(xù)而緩慢地發(fā)生核聚變反應(yīng)。4個(gè)氫原子將會(huì)聚變成1 個(gè)氦原子，同時(shí)釋放電子、高能伽馬光子和能量，以維持此處的高溫狀態(tài)，使核反應(yīng)能夠持續(xù)下去。在日核區(qū)以外、最靠近日核區(qū)的圈層，核反應(yīng)產(chǎn)生的能量以輻射的方式向外傳播。再往外，能量傳播的主要方式變成了等離子體的對(duì)流。因此，這兩個(gè)圈層也被稱為輻射區(qū)和對(duì)流區(qū)。由于溫度的降低，這兩個(gè)層區(qū)內(nèi)沒(méi)有核反應(yīng)發(fā)生。高能伽馬光子與組成太陽(yáng)的離子、電子不斷碰撞，不斷重復(fù)“先吸收后輻射”的過(guò)程，形成了X 射線、紫外線、可見(jiàn)光等多個(gè)波段的輻射。我們能夠用肉眼察覺(jué)到的可見(jiàn)光，就主要產(chǎn)生于對(duì)流層以上的光球?qū)印?p>

人造太陽(yáng)——托卡馬克

雖然目前人類還沒(méi)有研發(fā)出像核反應(yīng)堆那樣成熟實(shí)用的人工可控核聚變裝置，但這方面的先驅(qū)性研究已有不少，其中研究進(jìn)展最明顯的是一個(gè)名為“托卡馬克”的裝置。這種裝置試圖像太陽(yáng)一樣，借助可控核聚變的方式來(lái)獲得能量，因此也被人們形象地稱為“人造太陽(yáng)”。

前面講到，要發(fā)生核聚變，就必須讓原子克服靜電斥力，相互接近。而這一過(guò)程，可以通過(guò)給物質(zhì)加熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。物質(zhì)的溫度越高，內(nèi)部粒子“四處亂撞”的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)就越劇烈。計(jì)算表明，在地球上可以產(chǎn)生的壓強(qiáng)下，需要把物質(zhì)加熱到數(shù)千萬(wàn)攝氏度以上，才有可能觸發(fā)核聚變反應(yīng)。然而，如此高的溫度，任何材料都無(wú)法承受，進(jìn)行核聚變反應(yīng)的容器會(huì)在瞬間被氣化，導(dǎo)致核聚變無(wú)法進(jìn)行。

為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家想到利用磁場(chǎng)的無(wú)形約束，來(lái)將高溫粒子束縛在容器內(nèi)部，并且與容器壁脫離。磁場(chǎng)之所以有這樣的本事，是因?yàn)樵谌绱烁叩臏囟戎?，物質(zhì)已經(jīng)被電離成等離子體態(tài)，組成等離子體的離子和電子都是帶電粒子，能夠與磁場(chǎng)相互作用。“托卡馬克”就是這樣一種用磁場(chǎng)約束高溫等離子體，進(jìn)行核聚變反應(yīng)的裝置，它的形狀很像一個(gè)放倒的輪胎。高溫等離子體和“托卡馬克”外壁之間形成了一個(gè)接近真空的“隔熱層”，能夠保護(hù)外壁不被燒穿。

目前，僅有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家正在用托卡馬克裝置進(jìn)行可控核聚變研究。中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所的“東方先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克（EAST）”裝置，是目前世界上幾個(gè)先進(jìn)的托卡馬克裝置之一，它的磁場(chǎng)全部由超導(dǎo)系統(tǒng)（一種由電阻接近0的材料構(gòu)成的系統(tǒng)，能夠穩(wěn)定產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)）產(chǎn)生。目前，EAST 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1000秒的點(diǎn)火時(shí)間。所謂“點(diǎn)火時(shí)間”，是指托卡馬克裝置內(nèi)的核聚變反應(yīng)被觸發(fā)后，能夠自發(fā)維持核聚變反應(yīng)的時(shí)間。1000秒的點(diǎn)火時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但在國(guó)際上已屬領(lǐng)先水平。

“認(rèn)識(shí)”太陽(yáng)使我們發(fā)現(xiàn)了核反應(yīng)，而利用核聚變“制造”太陽(yáng)或許能夠在未來(lái)幫助我們拯救能源不足的地球。

診斷系統(tǒng)

“東方超環(huán)”在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，科學(xué)家們需要全程監(jiān)控它的各項(xiàng)反應(yīng)參數(shù)。然而，由于“超高溫度”造成的極限環(huán)境使得反應(yīng)參數(shù)很難直接測(cè)量，科學(xué)家們就“迂回”地采用光譜分析來(lái)推導(dǎo)里面的各項(xiàng)參數(shù)。因?yàn)檫@種方法很像醫(yī)生通過(guò)聽(tīng)診來(lái)判斷人的健康情況，所以極限環(huán)境下的測(cè)量系統(tǒng)又被稱為“診斷系統(tǒng)”。

微波加熱系統(tǒng)

采取家用微波爐的微波共振原理，通過(guò)數(shù)萬(wàn)倍于家用微波爐的加熱功率將聚變?nèi)剂系臏囟燃訜岬缴蟽|攝氏度，以達(dá)到核聚變所需的反應(yīng)溫度（相當(dāng)于數(shù)萬(wàn)個(gè)家用微波爐同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)）。

電流引線系統(tǒng)

將變電站中的“超大電流”（約為家用電流的1 萬(wàn)倍）輸入“東方超環(huán)”的通電線圈中，以此產(chǎn)生“超強(qiáng)磁場(chǎng)”。因該系統(tǒng)須暴露在室溫環(huán)境中，無(wú)法使用超導(dǎo)材料，所以電流引線很粗，并且外面還包覆一層水循環(huán)冷卻系統(tǒng)來(lái)降溫。

低溫分配系統(tǒng)

為“東方超環(huán)”上的超導(dǎo)材料分配低溫冷卻劑（主要是零下269 攝氏度的液氦），使超導(dǎo)導(dǎo)體達(dá)到所需的低溫，從而使“超大電流”在超導(dǎo)材料上能夠“無(wú)阻礙”地通過(guò)。

抽真空系統(tǒng)

“東方超環(huán)”同時(shí)存在著“上億攝氏度”和“零下269攝氏度”兩個(gè)極限溫度。真空是有效隔熱的主要手段，也是在地球上盛裝“上億攝氏度”聚變?nèi)剂系幕A(chǔ)。抽真空系統(tǒng)可以將整個(gè)裝置主機(jī)內(nèi)抽成需要的真空環(huán)境，為有效隔絕極高溫與極低溫奠定基礎(chǔ)，并為核聚變反應(yīng)提供純凈環(huán)境。

中性束注入系統(tǒng)

利用中性粒子不受磁場(chǎng)控制的原理，將加速后具有巨大動(dòng)能的中性粒子與帶電粒子進(jìn)行碰撞來(lái)傳遞能量，從而加熱聚變?nèi)剂稀?/p>