探秘“科大一环”

太阳的光和热，来源于内部的热核聚变。仿效太阳的原理，建造可控的“人造太阳”，是解决能源危机的新出路。我国首台反场箍缩磁约束聚变装置——“科大一环”，正朝着人类安全利用核聚变能而努力——

日前，我国首台反场箍缩磁约束聚变装置——“科大一环”正式建成运行，成功实现“一键控制”全自动化的氢等离子体放电，并初步实现常态化运行。到目前为止，该装置每两分钟即可获得一次放电，最大等离子体电流可达180千安。“‘科大一环’建设的最终目标，就是为了获得稳定可靠的核聚变能。”工程总指挥刘万东教授表示。

“聚变之能”点燃希望

几十亿年来，太阳通过核聚变，不断地向外辐射着能量。说起核聚变，就不能不提起核能以及核裂变。核能是人类历史上的一项伟大发现，其主要通过裂变、聚变、衰变3种方式释放能量。原子弹和当前世界各国的核电站，利用的就是核裂变技术；而氢弹采用的则是核聚变技术，氢弹的威力比原子弹大得多。刘万东介绍，核聚变能就是模仿太阳的原理，使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核，并释放巨大能量。1952年，世界首颗氢弹爆炸之后，人类制造核聚变反应成为现实。但如何实现安全可控的核聚变能？各国科学家一直在探索。

当前，随着化石能源逐步枯竭，能源危机亟待解决，而受控热核聚变能，被认为是解决人类生存问题的终极能源。中科院等离子体物理研究所研究员徐国盛介绍，核聚变能是一种清洁能源，安全性高，不存在失控、核泄漏及核废料等安全问题。更为重要的是，核聚变的燃料氘在海水中大量存在，每升海水中含30毫克氘，完全聚变所释放的能量，相当于燃烧340升汽油；地球上仅海水中就含有45万亿吨氘，足够人类使用上百亿年，比太阳的寿命还要长。核聚变需要的另一种燃料是锂，地球上锂的储量约有2000多亿吨，可谓取之不尽、用之不竭。

为探索神奇的“聚变之能”，发达国家均投入巨资建造磁约束实验装置。其中，由欧盟、美、日、俄、中、韩、印七方共同承担的国际热核聚变实验堆（ITER）计划，是全球规模最大、影响最深远的国际科技合作项目之一。刘万东表示，磁约束装置主要有仿星器、托卡马克、反场箍缩三类，其中仿星器约束磁场完全由外线圈决定，托卡马克约束磁场部分由等离子体本身决定，反场箍缩约束磁场主要由等离子体本身决定。合肥科学岛上的“东方超环”（EAST），就是超导托卡马克装置；最新建成的“科大一环”，则填补了我国反场箍缩装置的空白。

“科大一环”牛刀小试

磁场可达7000高斯，等离子体电流可达1兆安培，电子温度可达600万度，放电时间可达100毫秒……“科大一环”虽然刚刚建成，却已显示出巨大的潜力。走近“科大一环”，只见红、黄、蓝相间的大型环形装置坐落在实验室中央。“这个装置好比一个炉子，我们就是要通过电力加热的方法，让炉里温度达到核聚变临界点，并用磁体约束维持这一高温。 ”刘万东说。

专家介绍，产生可控核聚变需要的条件非常苛刻。太阳靠核聚变给太阳系带来光和热，其中心温度达1500万摄氏度，气压达3000多亿个标准大气压，而地球上没办法获得如此巨大的压力，只能通过提高温度来弥补，不过这样一来温度要到上亿度才可以。如此高的温度没有一种固体物质能够承受，只能靠强大的磁场来约束，由此产生了磁约束核聚变装置。

记者在现场看到，这台装置由不锈钢、铜、绝缘材料等组成，大大小小的线圈环环相扣。刘万东介绍，“科大一环”主机总体直径8米，通高6米，总重量超过70吨。与超导“托卡马克”不同的是，它是一种非超导磁约束聚变装置，工程设计相对简单，磁体系统由24个纵场线圈、26个欧姆场线圈、12个平衡场线圈以及136个反馈控制线圈组成。

“可以把‘科大一环’想像成一个大炉子，我们要让炉子烧起来，必须要有极高的温度，并且让产生的热量持续有效，最终产生核聚变，并且能量产出大于能量消耗。 ”刘万东形象地说。

“科大一环”建成后，国际同行纷纷“点赞”。美国普林斯顿等离子体物理国家实验室主任Stewart Prager得知“科大一环”放电后，专程到中科大访问并为“科大一环”题词：“恭贺建成如此漂亮的装置，它给我们留下了非常深刻的印象。我们在世界各地的同行，热情期待在‘科大一环’上作出令人激动的成果。 ”

“人造太阳”再添利器

通过核聚变源源不断地产生巨大能量是人类的梦想，于是“人造太阳”计划诞生。当前，国际热门的核聚变实验装置“ITER”“EAST”，均属超导“托卡马克”类型，中国从参加ITER国际合作起步，已逐步建立核聚变能长期发展政策，有望成为国际核聚变研究的主导性力量。而“科大一环”的建成，让“人造太阳”计划再添利器。

“科大一环”，是我国完全自行设计、自主研制集成的国际先进反场箍缩装置，也是科技部“国家磁约束核聚变能发展研究专项”支持的大型装置建设项目。 “反场箍缩最重要的特点，是约束等离子体的磁场由等离子体内部电流所产生，并具有纯电力加热达到聚变点火条件、高质量功率密度等优势，是未来磁约束反应堆位形的一种可选择方案。 ”刘万东表示，该装置设计的各项指标均达国际同类装置先进水平，真空室双C开合可进性设计，解决了当前反场箍缩装置可进性差、真空室维护更新难、费用高的缺陷，其正式建成运行，将为国内外从事等离子体物理研究的科研人员提供一个全新的大型实验平台，并对我国磁约束聚变领域高端人才培养、发展磁约束聚变能科学技术研究事业具有重要意义。

“核聚变一旦在‘科大一环’上实验成功，推广应用将会非常容易。 ”刘万东特别提及，相比于“ITER”“EAST”的“高大上”，“科大一环”采用的是常规磁体和普通加热方式，其“简单性”在工程技术上更具有可操作性，是先进磁约束变位形探索研究的重要平台。目前，“科大一环”是国际上仅次于“EAST”和中国环流器二号A（HL-2A）的大型磁约束聚变装置，国际上四个主要反场箍装置——美国MST装置、欧盟RFX-Mod装置、欧盟Extrap-T2R装置、日本RELAX装置的代表，均表示要在“科大一环”上加强合作，并初步达成合作交流协议。

“我们将调动各方面力量，集中精力将‘科大一环’运行好，尽快将其建设成为一个有国际影响力的大科学实验装置。 ”视察“科大一环”后，中科院副院长詹文龙如是说。通过核聚变实现“人造太阳”，还需要多久？刘万东认为，这是各国科学家孜孜不倦建造各类核聚变实验装置的终极目标，要实现这一目标，至少还需要几十年乃至上百年。“科大一环”反场箍缩磁约束聚变实验装置。（桂运安）