几十亿年来，太阳通过核聚变，不断地向外辐射着能量。如何模仿这一原理，建造一个源源不断提供清洁能源的“人造太阳”——
“托卡马克”核聚变堆，被形象地称为“人造太阳”。日前，中国新一代“人造太阳”实验装置东方超环（EAST）辅助加热系统，在合肥科学岛顺利通过国家重大科技基础设施验收。这标志着“东方超环”完成重大升级改造，已具备了挑战国际磁约束聚变最前沿研究课题的能力，成为未来五年世界上最有能力率先实现百秒量级长脉冲高性能等离子体放电的聚变实验装置之一。
“核聚变能”掀起能源革命
说起核聚变，了解的人可能不多。但实际上，我们天天见证着核聚变，太阳就是一个巨大的核聚变反应装置。在太阳的中心，温度高达1500万摄氏度，气压达3000多亿个标准大气压，在这样的高温、高压条件下，氢原子核聚变成氦原子核，并放出大量能量。几十亿年来，太阳通过核聚变，不断地向外辐射着能量，照耀着大地。
核能是人类历史上的一项伟大发现，主要通过裂变、聚变、衰变3种方式释放能量。其中，原子弹、核电站均采用的是核裂变技术，核电的广泛利用已深刻地影响到当今世界能源版图。 “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。 ”中国工程院院士、中国科大核科学技术学院院长万元熙介绍。1952年，世界第一颗氢弹爆炸之后，人类制造核聚变反应成为现实，虽然那只是不可控的瞬间爆炸，但点燃了人类安全利用这一巨大能量的梦想。从那时开始，全世界的科学家们就一直在寻找途径，力求实现可以控制的核聚变能。全超导“托卡马克”实验装置，就是人类为实现这一梦想而建造的试验平台。然而，60多年过去了，这一梦想始终未能实现。
核聚变能为何有如此巨大的魅力？“这是由于其具有无可比拟的优点。 ”中科院等离子体物理研究所研究员徐国盛说。当前，全球依赖的主要能源是煤、石油、天然气等化石能源，这些传统能源不仅会造成污染，而且终有将被耗尽的一天。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。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，也可谓取之不尽、用之不竭。
1986年，前苏联切尔诺贝利核电站核泄漏事故，曾造成数万人死亡，至今仍让人心有余悸。 “与核裂变不同的是，核聚变的燃料和产物不具放射性，而且很容易通过取消核反应条件终止反应，因此不存在失控、核泄漏及核废料等安全问题。 ”徐国盛表示。此外，核聚变能还是一种清洁能源，并不会像燃烧化石燃料那样释放二氧化碳等污染物。
“东方超环”点燃希望之光
三月的科学岛，生机盎然、风景宜人。鲜为人知的是，小小的科学岛上竟然“藏龙卧虎”，拥有多个国家大科学装置。其中，由中科院等离子体所自主设计、研制并完全拥有知识产权的东方超环（EAST），就是世界上第一个非圆截面全超导“托卡马克”实验装置。日前，随着最新辅助加热系统的应用，“东方超环”成功实现了5000万摄氏度的超高温等离子体。
“托卡马克”是什么？专家介绍，托卡马克（Tokamak）是一环形装置，外面缠绕着线圈，通电时内部会产生强大的螺旋型磁场，来约束聚变燃料构成的高温等离子体，创造聚变反应条件，并实现人类对聚变反应的控制。它的名字Tokamak来源于环形（toroidal）、真空室 （kamera）、磁 （magnet）、线圈（kotushka）。这一装置，最早由前苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人于二十世纪50年代发明。近年来，中科院等离子体所先后建造了中小型托卡马克HT-6B和HT-6M，以及超导托卡马克合肥超环（HT-7）和全超导托卡马克东方超环（EAST）。
值得一提的是，“东方超环”是世界上第一个建成，并正式投入运行的全超导“托卡马克”实验装置。万元熙介绍，EAST集全超导和非圆截面两大特点于一身，且具有主动冷却结构，能产生稳态的、具有先进运行模式的等离子体，此前世界上尚无成功建造的先例。其建成运行，标志着我国磁约束核聚变研究水平进入国际先进行列。
作为国家大科学工程项目，EAST于1998年立项，建设历时8年、耗资近2亿元，2006年9月28日在合肥首次放电成功。随后，该试验装置的研制获2008年度国家科技进步一等奖。 EAST的成功运行受到国内外专家的高度评价，他们称赞“EAST是世界聚变工程的非凡业绩，是世界聚变能开发的杰出成就和重要里程碑”。
“人造太阳”产生核聚变能，温度和持续时间是关键。根据设计，EAST产生等离子体最长时间可达1000秒，温度将超过令人难以想象的5000万摄氏度。 2012年，EAST获得411秒2000万摄氏度等离子体，并获得稳定重复超过30秒的高约束等离子体放电，创造了两项“托卡马克”运行世界纪录。
目前，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。该项目总投资几十亿欧元，中国投资额占9%。徐国盛表示，EAST虽然规模比ITER小，但EAST使用了与ITER类似的先进技术。更为重要的是，EAST至少比ITER早投入实验运行10年至15年，将为ITER计划积累宝贵经验。
“人造太阳”放飞人类梦想
随着能源危机来袭和环境污染日益严重，寻找绿色无污染的新能源，成为摆在人类面前的一项紧迫任务。毫无疑问，在太阳能、风能、水能、地热能等诸多新能源中，核聚变能以其令人神往的优点，成为人类未来最理想的能源。在这一背景下，建造可控的“人造太阳”，成为世界各国的共同追求，ITER计划随即诞生。
实际上，自世界第一颗氢弹爆炸后，人类就在为实现这一目标而努力。但起初，前苏联和美国都是以绝密形式研究受控核聚变，最后发现任何国家都无法独立完成，必须全世界联合起来，才能取得突破性进展。 “核聚变的实现，必须要将燃料加热到亿万度的高温。在亿万度高温下，燃料还必须约束到一个局部的小空间中，这个的确太复杂了。 ”万元熙坦言。
作为ITER中国工作组的主要参与单位，中科院等离子体所通过国际招标竞争承担了ITER多项高难度核心研制任务，并推翻原ITER电源等重大系统和部件的不合理设计，实现ITER大电流超导导体100%“中国制造”。徐国盛透露，中国在参与ITER计划的同时，还提出建设中国聚变工程实验堆（CFETR），预计今年其概念设计将通过验收。建造CFETR是为了解决聚变的核科学和技术问题，是实现聚变商用化进程中的重要步骤。目前，该所正积极参与CFETR预研，已取得一系列实质性进展。
人类能否成功实现“人造太阳”的梦想？ “一定能，因为人类需要。 ”万元熙表示。他透露，如果“托卡马克”研究进展顺利，世界各国一如既往地大力支持，在本世纪就有可能建成民用核聚变示范电站。对此，徐国盛也信心十足，“虽然还有很多难题需要破解，但只要人类共同努力，相信在不远的将来，地球上将会亮起一盏盏用聚变能点亮的灯”。 工程人员正在调试设备。（安徽日报记者： 桂运安 汪永安）
“托卡马克”实验装置全景