中国核物理学家8月改写人类命运(图)[转贴

据中国科学院网站报道，全国人大副委员长盛华仁5月1日来到中科院等离子体所考察工作。在等离子体所领导陪同下，盛华仁一行视察了已经成功完成全部工程调试正在为即将进行首轮物理实验作最后准备工作的世界首个非圆截面全超导托卡马克——EAST实验装置。（即“人造太阳”）

　　国家“九五”大科学工程项目总经理万元熙向盛华仁等汇报了国家大科学工程超导托卡马克实验装置的建设和运行情况。盛华仁对等离子体所科技人员为中国和在世界范围内开发新能源从而最终解决能源问题所作出的努力给予了充分肯定，对该所科研人员多年来默默奉献、艰苦创业、勇于创新的精神予以了高度评价，他说，要在更多地层面宣传和介绍我们所开展的工作的意义以及取得的成绩，加大国际合作力度，在国内外争取得到更多的支持，加快开发新能源的步伐。 　　人造太阳若成功,将改写人类能源现状
进入3月，全球数千名从事核聚变研究的物理学家都在等待一份来自安徽合肥的实验报告。他们希望中国同行带来好消息，从而增强他们在不久的将来投入ITER(国际热核实验反应堆)建设的信心。

　　这个实验，是对一个类似ITER核心装置的大型设备进行联合调试，以确定其是否能正常运转。在实验所在地中国科学院等离子体物理研究所，它被称为“先进超导托卡马克实验装置(英文缩写为EAST)”。

　　50年来，在地球上模拟太阳内部的核聚变反应，并把产生的惊人能量稳定地输送到电站，一直是人类未能实现的梦想。但一些物理学家相信，这一天肯定会来临。他们希望通过ITER计划向持怀疑态度的政治家和科学家证明，核聚变是一种可行的能源来源。

　　正因为如此，EAST实验似乎“根本承担不起失败”，这让聚集在合肥的100名核聚变专家和工程技术人员深感压力。

　　几乎完美的能源

　　核聚变是能源危机的终结者吗？一些物理学家对此坚信不疑。

　　3月2日，一位负责给EAST降温的工程师就认为，聚变能是今后能够大规模甚至一劳永逸地解决人类能源问题的惟一途径。

　　“站在悬崖的边缘，我们只能再造一个‘太阳’，别无选择。”他说。

　　100年前，爱因斯坦预见了在原子核中蕴藏着巨大的能量。依据他提出的质能方程E＝mc2，核聚变的原理看上去极其简单：两个轻核在一定条件下聚合成一个较重核，但反应后质量有一定亏损，将释放出巨大的能量。

　　1939年，美国物理学家贝特证实，一个氘原子核和一个氚原子核碰撞，结合成一个氦原子核，并释放出一个中子和17.6兆电子伏特的能量。这个发现揭示了太阳“燃烧”的奥秘。

　　实际上，太阳上的聚变反应已经持续了50亿年。在宇宙中的其他恒星上，也几乎都在燃烧着氢的同位素———氘和氚。

　　而氘在自然界中几乎“取之不尽”。科学家初步估计，地球上的海水中蕴藏了大约40万亿吨氘。从1升海水里提取的氘，在完全的聚变反应中所释放的能量，相当于燃烧300升汽油。如果把自然界中的氘用于聚变反应，释放的能量足够人类使用100亿年。

　　在实验室中，聚变反应的优点被不断发现——它产生的能量是核裂变的7倍，反应产物是无放射性污染的氦。更完美的是，未来的聚变电站会始终处于次临界安全运行状态，一旦出现意外，反应会自动停止，不会发生像三哩岛和切尔诺贝利那样的核泄漏事故。

　　1952年美国试爆了第一颗氢弹，促使科学家考虑如何控制核聚变反应在瞬间爆发的毁灭性能量，“人造太阳”之梦由此而始。

　　此后，石油、煤炭等化石能源日益枯竭，能源危机和温室效应步步逼近，获取新型能源已经变得十分迫切。虽然风能、水能、太阳能等可再生能源不断地被开发利用，但很难想象，它们能够完全替代传统能源。

　　超乎想象的难度

　　接下来的50年里，再造“太阳”的难度超出了所有科学家的预计。

　　马里兰大学的物理学家William　Dorland在接受《自然》杂志采访时感叹，核聚变之所以进展缓慢，是因为“我们对等离子体的不稳定性和紊乱性知之甚少”。

　　由于存在巨大的引力场，在太阳核心1500万摄氏度、表面6000摄氏度的条件下均可轻松进行聚变反应。如果不需要控制能量输出，在地面制造核聚变也不是棘手的难题：氢弹就是把原子弹当“火柴”，来“点燃煤球”。

　　但要实现可控，过程则极为艰难。

　　科学家首先要把反应燃料加热到10万摄氏度，成为等离子体，即电子获得一定的能量摆脱原子核的束缚，原子核能够完全裸露出来，为碰撞做准备。然后他们要把这些等离子体继续加热到上亿度，使原子核拥有足够的动能克服库仑斥力，聚合在一起。

　　为了避免在瞬间产生巨大的能量，等离子体的密度必须维持在合适的水平。

　　做到了这一步，还没有真正实现可控。这些上亿度的等离子体，还必须在足够长的时间里“老实地呆在容器里”，使聚变反应稳定持续地进行，“不能以每秒超过1000公里的速度乱跑，也不能碰到容器的内壁”。

　　一个难题是，用什么来装1亿度高温的等离子体？

　　前苏联科学家塔姆和萨哈罗夫提出磁约束的概念，期望用“无形的河床来约束河水”———环行磁场。在磁场中，带正电的原子核会沿着磁力线做螺旋式运动。此外，高功率的激光束也被用来充当“魔瓶”。

　　尽管科学家突破了一个又一个障碍，但距离“太阳”的光芒依然遥远。

　　中国科学院等离子体物理研究所研究员邱励俭说，要让“魔瓶”亮起来，必须同时解决超大电流、超强磁场、超高温、超低温等极限环境，牵涉真空、磁场、控制、等离子体、原子核等诸多领域的科学和技术难题。

　　而这“需要全世界最好的科学家和工程师一起合作，需要数国财力的共同支持”。

　　乐观的估计

　　于是，ITER计划应运而生。

　　1985年11月，美国和前苏联倡议在国际原子能机构框架下，由美国、前苏联、日本和欧洲共同体四方参与，建设国际热核实验反应堆。第一个设计方案是于2010年建成一个实验堆，实现1500兆瓦功率输出，造价约需100亿美元。

　　这个雄心勃勃的国际大科学工程，自出生之日便命途多舛。

　　由于当时的石油价格仅10多美元一桶，能源危机并未显现，加上前苏联的解体和美国的退出，这个方案以及随后“缩小版”的新方案一度搁浅。

　　ITER的推迟，为中国、韩国和印度等国家提供了一个“呼吸的空间”。我国在2002年表示有兴趣参加ITER计划，并在2003年成为ITER谈判过程中的正式成员。

　　中国ITER专家委员会的一位委员说，因为对能源的迫切需求，中国才不惜血本加入ITER。根据合同，中国要承担整个项目100亿美元中10％，投入可谓史无前例。

　　随后，美国宣布重返ITER，韩国和印度也先后加入。2005年6月28日，在一片争吵声中，ITER的建设地点最终落在法国南部的卡达拉舍。

　　政治角逐结束，科学家们走向前台，他们期望这个地球上最昂贵的科学设备能带来新能源的曙光。“毕竟，我们有了场地，可以做实验了。”哥伦比亚大学物理学家Gerald　Navratil说。

　　但是，ITER只是一个实验堆，离发电依然十分遥远。如果获得成功，它的下一步是建造商业示范堆，目的是验证商业可行性；最后还要建造商业运行堆，以验证经济可行性。

　　“完成这些过程可能还需要50年。”中国科学院等离子体物理研究所所长李建刚强调。他乐观地估计，“人造太阳”的出现，不会超过100年。

　　东方的曙光

　　在2005年7月21日出版的《自然》杂志上，来自英国原子能研究部门的物理学家David　Ward打了一个赌。“我愿意和你赌100美元，别的核聚变装置会比ITER更先开始工作。”他说，“在欧洲，我们对聚变反应的前景很乐观。”

　　位于中国合肥的EAST就有可能是这样一个装置。

　　3月7日，EAST进入降温实验的第18天，邱励俭在工程日志上记下了一个数字。他说，在这个数字的低温下，EAST的超导线圈进入超导态，此次实验最重要的一个目标已经达到。

　　他们计划在今年7月份前后进行首次放电实验。

　　1954年，前苏联设计成功托卡马克(意为环行真空磁线圈)装置。此后，全世界建造了上百个托卡马克装置。其中，欧洲联合环(JET)在1991年11月将氘氚混合燃料加热到了3亿摄氏度，获得1分钟的等离子体放电。

　　但是在强电流作用下，常规托卡马克的磁线圈同样会发热。为了解决这个难题，科学家将超导技术成功应用于磁线圈，建成超导托卡马克。

　　邱励俭介绍，目前世界上的超导托卡马克，只有法国的Tore－Supra和中国的HT－7能正常运行。

　　HT－7是前苏联赠送给中国的一套实验装置，经过中国科学家的改进，它在2005年12月14日获得了1000万摄氏度、持续306秒的等离子体放电。这个结果，离法国的Tore－Supra只有一步之遥。

　　几年前，中科院等粒子体物理研究的专家们开始设计更先进的EAST，这是一个高5米、内直径7.62米、重达400多吨的庞然大物。作为世界上第一个全超导托卡马克，它与ITER的核心装置非常接近。专家们为此花费了6年时间，前后投入经费达3亿元人民币。

　　“一旦它运行成功，能够为未来降低ITER的风险提供十分宝贵的经验。”李建刚说。



　　2月4日拍摄的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置。目前，由中科院等离子体物理研究所设计制造的EAST全超导非圆截面托卡马克实验装置大部件已安装完毕，进入抽真空降温试验阶段。EAST全超导托卡马克实验装置以探索无限而清洁的核聚变能源为目标，将于今年3、4月在合肥建成。这个装置也被通称为“人造太阳”，能够像太阳一样给人类提供无限清洁的能源。
中国科学院等离子体物理研究所正在建造的新一代可控核聚变装置已花费２亿元。中国科学家在核聚变反应方面的研究是耗资１００亿欧元的国际热核实验反应堆（ＩＴＥＲ）计划的重要组成部分。

　　热核聚变反应的燃料为海水中广泛存在的氢的同位素氘。人造可控核聚变反应与太阳产生能量的过程类似，因此被称为“人造太阳”，但热核聚变需要在１亿度的高温条件下才能实现。目前的技术是利用巨大的环形超导磁场对等离子体进行加热、约束，在不产生巨大破坏的状况下创造热核聚变产生的物理条件。

　　除了磁约束核聚变基础研究，高性能科学计算研究、青藏高原环境变化及其对全球变化的响应与适应对策、动物源性病毒跨种间感染与传播机制研究等重要项目也是２００５－２００６的９７３计划的资助重点。本次资助项目达创记录的５４项，总投入经费为１４．５９亿元，也为历年之最。
谁又将是今天的普罗米修斯呢？中科院等离子体物理研究所距离梦想越来越近了，他们的“人造太阳”设备已经为人类搭起了通往未来的桥梁，现已进入工程调试阶段。2月14日，晨报记者有幸踏上中国“人造太阳”基地———中科院等离子体物理研究所的合肥科学岛，一睹中国“人造太阳”的神秘面容。

　　工作原理：模拟太阳

　　让1升海水变成300升汽油

　　春节刚过，位于合肥市西北郊的科学岛上已是一片忙碌。“人造太阳”项目总装办主任吴维越说，这个春节研究人员几乎都是在科学岛上度过的。为了设备早日投入运行，从项目的筹备立项到现在，他们已经前后忙碌了整整8年。

　　记者了解到，这台全名叫EAST非圆截面全超导托卡马克的装置，以探索无限而清洁的核聚变能源为目标。由于它和太阳产生能量的原理相同，都是热核聚变反应，所以被外界称为“人造太阳”。

　　而所谓的“人造太阳”的原理，就是在这台装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。

　　1升海水提取的氘，在完全的聚变反应中释放的能量，相当于燃烧300升汽油释放的热能。因此一旦这种技术成熟，建立了电站，就相当于建立了一个“人造太阳”。

　　据悉，EAST是世界上百台托卡马克装置中最先进的。不过外人很难相信，记者眼前的它，就藏身在一间外表极为普通的屋子里。屋内面积有一个足球场般大小，中间朝地下深挖了数米，这个世界上最先进的托卡马克装置就在大坑中央。从外形上看是粗大的钢铁圆柱，上端好像战士头上的钢盔，有7米多高，下面用9根合抱粗的钢柱支撑，犹如科幻片中外星人乘坐的探测器。

　　吴维越向记者介绍，产生能量的聚变反应，就发生在酷似外星探测器内的真空装置里面，而反应的发生需要多个子系统同时工作，比如电源系统，使线圈达到并保持超导状态的低温系统，用来抽真空的真空机组等。

　　运转过程：类似烧锅炉

　　7月就可以进行放电实验

　　目前总装的第一阶段已经完成，正在开始工程调试。“如果一切顺利，7月份就可以放电(指做实验)了。”总装办主任吴维越兴奋地告诉记者。

　　“放电”时的“人造太阳”将是一种什么样的情形呢？

　　“除了位于其他大厅的某些设备会发出一些声响外，真空室内一切静悄悄。”吴维越神秘地回答。原来，做实验的时候，整个大厅是封闭的，所有工作人员都要离开“人造太阳”的屋子，但大厅内的情形和放电时真空室内的情形都可以在控制室内的录像中看到，各系统的监控、实验方案的实施、实验图表的获得等等也都是在控制室内进行的。

　　吴维越告诉记者，聚变反应的过程有些类似于烧锅炉，首先要点火，即产生等离子体，然后要使火焰变大变强，即提高等离子体的温度和密度，使其发生碰撞，发生聚变反应，温度越高、密度越大反应就越剧烈。在未来的聚变电站中，反应产生的能量可以通过裂变电站的能量输出转换装置来供人类使用，这方面的技术是成熟的。

　　安全问题：能力释放过程完全可控

　　即使出现事故也不用疏散人群

　　在几千万乃至上亿度的高温下发生反应，安全无疑成为最受关注的问题。人们往往会想到会不会有核辐射，会联想到令人色变的乌克兰切尔诺贝利核电站爆炸事件。

　　吴维越告诉记者，EAST装置只有在放电的时候才会产生中子辐射，一旦实验结束就没有了辐射，而产生的中子辐射是不会影响到大厅之外的。EAST大厅是全封闭式构造，四周墙壁的厚度达到1.5米，屋顶的厚度为1米，内部全部为钢筋捆扎，表面用水泥浇铸而成。

　　“这样中子就可以完全被隔绝在里面。”吴维越说，同时“人造太阳”所用原料也都不是具有辐射性的铀等元素，没有任何辐射的后遗症。

　　人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。然而氢弹爆炸时释放出极大的能量，给人类带来的是灾难。那么“人造太阳”会不会发生爆炸呢？

　　吴维越说，氢弹用的聚变原理过程不可控，不可控的瞬间能量释放只能给人类带来灾难。而EAST的热核反应是可控的。加入EAST装置真空室内的原料是少量的，真空室气体密度非常低，而且产生的等离子体被磁场牢牢地束缚住，是很安全的。即使发生了想象中最坏的事故，也只是对实验和装置有影响，周围地区的人群不用疏散。



　　世界将不再为石油而战

　　晨报记者：作为世界第一台全超导的“人造太阳”，它的建成对人类的未来意味着什么？

　　万元熙：它将为人类未来建造工业应用的聚变电站搭起一座桥梁。目前，在托卡马克装置上进行聚变反应已经获得不小的成功，但要实现稳态、长时间地运行还有很长的路要走，我们就是想通过全超导技术来解开这个“死结”，让它运行的时间更长，从实验逐步走向应用。

　　一旦聚变电站成功运行，带给世界的变化将是革命性的。各国之间再也不用为中东的石油而发生战争。没了石油、煤矿开采带来的污染，二氧化碳的温室效应、南极冰面的萎缩、海岸线的增高等等一系列现在人类头疼的问题都会消失。它将给人类带来无限清洁的能源，就像太阳给我们的一样。

　

　　多年来，热核聚变研究一直围绕着一个主题：实现可控的核聚变反应，造出一个“人造太阳”，一劳永逸地解决人类的能源之需，代替煤、石油等不可再生资源。一种被称为“托卡马克”的“人造太阳”实验装置由此产生：从海水中提取氘和氚，使其在上亿度的高温下产生聚变反应。1升海水里提取的氘和氚，在完全的聚变反应中所释放的能量，相当于燃烧300升汽油释放的热能。如果发明一种能够承受上亿度温度，并且能够控制氘和氚聚变稳定持续输出能量的装置，那就相当于发明一个“人造太阳”，可以给人类提供无限清洁的能源。



　　“EAST计划”进程揭密

　　●2005年4月27日

　　EAST的“心脏”搭建成功

　　2005年4月27日， EAST总装完成了难度最大的工作－－三环套装。三环从里到外的顺序为真空室、内冷屏和纵场磁体，是整个装置的内三层。

　　●2006年1月10日

　　EAST装置外杜瓦安装成功

　　2006年1月10日，EAST外杜瓦安装成功，这标志着EAST总装第一阶段的全面竣工，为EAST降温通电实验创造了良好的条件。

　　外真空杜瓦是EAST装置最外层的结构部件。它主要为真空室等内部部件提供真空工作环境，隔绝内部部件与环境的自由热交换，以实现对运行温度的控制，从而满足总体设计要求。
　　　这一研究项目只是美国太空武器开发计划中的冰山一角

　　从地球上发射激光束将敌方卫星摧毁。这个看似只存在于科幻小说中的想法的确是美国军方秘密的研究课题，并已取得微弱进展。《纽约时报》3日报道说，布什政府正秘密开发一种强大的陆基激光武器，用于摧毁在近地轨道上运行的敌方卫星。

　　这一秘密计划包含在2月提交给美国国会审议的空军2007财政年度国防预算中，并因此得以部分公开，它本身也只是美国太空武器开发计划中的冰山一角。