所謂“人造太陽”,即超導托卡馬克實驗裝置,也即國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃建設工程,是當今世界迄今為止最大的熱核聚變實驗項目,旨在在地球上模擬太陽的核聚變,利用熱核聚變為人類提供源源不斷的清潔能源。核聚變能以氘氚為燃料,具有安全、潔淨、資源無限3大優點,是最終解決全人類能源問題的戰略新能源。

多年來的熱核聚變研究一直圍繞著一個主題,就是要實現可控的核聚變反應,造出一個人造太陽,一勞永逸地解決人類的能源之需。

地球上的化石燃料已經所剩無幾,人類如何找到理想的替代能源?50多年來的熱核聚變研究一直圍繞著一個主題,那就是要實現可控的核聚變反應,造出一個人造太陽,一勞永逸地解決人類發展的能源之需。國際熱核聚變試驗堆的即將啟動為人類實現這個夢想帶來了曙光。再過50年,人們能看到人造太陽嗎?

萬物生長靠太陽,人類生存自然也離不開太陽。我們生火煮飯的柴草來自太陽,水力發電來自太陽,汽車裏燃燒的汽油來自太陽……實際上,迄今為止,除了核能、地熱能以外,我們使用的所有能源幾乎都來自太陽。太陽像所有的恒星一樣進行著簡單的熱核聚變,向外無休止地輻射著能量。

我們現今所使用的能源,有些直接來自太陽,有些是太陽能轉化的能源,像水能、風能、生物質能,有些是早期由太陽能轉化來的一直儲存在地球上的能源,像煤炭、石油這樣的化石燃料。人類社會發展到今天,僅靠太陽給予的可用能源已經不夠用了。人類能源消耗快速增加,水能的開發幾近到達極限,風能、太陽能無法形成規模。我們今天使用的主要能源是化石燃料,再有100多年即將用盡。人們還抱怨化石燃料對大氣造成了汙染,增加了溫室氣體。要知道它們是太陽和地球用了上億年才形成的,但隻夠人類使用三四百年,而且它們是不可再生的。另外,煤炭、石油等是人類重要的自然資源,作為燃料燒掉是非常可惜的。人們無不擔心,煤和石油燒完了,而其他能源又接替不上該怎麼辦呢?能源危機開始困擾著人類,人們一直在尋找各種可能的未來能源,以維持人類社會的持續發展。

細心的人會發現,在元素周期表中,雖然元素是由質子和中子成對增加依次構成的,但是原子的重量卻不是按質子和中子的增加而等量增加的。在較輕的原子中,質子和中子的重量偏重,如果兩個輕的原子合成一個重原子,兩個輕原子的原子量之和往往重於合成的重原子。同樣,在較重的原子中,質子和中子的重量也偏重,一個重原子分裂為兩個輕原子,重原子的原子量一般重於兩個輕原子之和。隻是在鐵元素附近的原子中,質子和中子的重量偏輕。由此可見,在原子核反應中,質量是不守恒的,即出現了所謂的質量虧損。這些質量到哪裏去了呢?按照愛因斯坦的質能關係公式E=mc2,虧損的質量轉換為能量,由於c2是個巨大的係數,很小的質量就可釋放出巨大的能量。科學家正是基於這一點,利用重金屬的核裂變製造出了原子彈,利用輕元素的核聚變製造出了氫彈。

原子彈和氫彈的巨大威力令人懼怕,同時也讓人們興奮,因為原子中蘊藏的能量太大了,能否利用這種能源是人們自然想到的問題。原子彈和氫彈中的巨大能量是在瞬間釋放出來的,而要作為常規能源使用,就必須實現可控製的核裂變和核聚變。對於核裂變來說,控製起來相對比較容易,裂變核電站早已經實現商業運行。但能用來產生核裂變的鈾等重金屬元素在地球上含量稀少,而且常規裂變反應堆會產生長壽命的放射性較強的核廢料,這些因素限製了裂變能的發展。

對人們來說,最具誘惑力的自然是核聚變,它的單位質量產生的能量比核裂變還要大幾倍。實際上,宇宙中最常見的就是氫元素的聚變反應,所有的恒星幾乎都在燃燒著氫,因為氫是宇宙中最豐富的元素。氫的聚變反映在太陽上(還有少量其他核聚變)已經持續了近50億年,至少還可以再燃燒50億年。氫在地球上也是非常豐富的,每個水分子中都有2個氫原子,但最容易實現的聚變反應是氫的同位素——氘與氚的聚變(氫彈就是這種形式的聚變)。氘和氚發生聚變後,2個原子核結合成1個氦原子核,並放出1個中子和17.6兆電子伏特能量。就氘來說,它是海水中重水的組成元素,海水中大約每6500個氫原子中有1個氘原子。每升水約含30毫克氘(產生的聚變能量相當於300升汽油),其儲量多達40萬億噸。一座1000兆瓦的核聚變電站,每年耗氘量隻需304千克,海水中的氘足夠人類使用上百億年,這就比太陽的壽命還要長了,更不要說再使用氫了。另外,除氚具有放射性危險之外,氘一氚聚變反應不產生長壽命的強放射性核廢料,其少量放射性廢料也很快失去放射性。氘一氘聚變反應沒有任何放射性。可以說氫及其同位素的聚變反應是一種高效清潔的能源,而且真正是用之不竭。既然恒星上都在進行著這樣的核聚變,地球上也不缺這種核聚變的原料,隻要實現可控的核聚變,就可以造出一個供人們永久使用的“太陽”。實際上,自從人們揭開太陽燃燒的秘密以來,就一直希望模仿太陽在地球上實現核聚變從而為人類提供無盡的能源。盡管50多年過去了,人們隻見到了氫彈的爆炸,而沒有看到一座核聚變發電站的出現,但它誘人的前景依然是人們心中一個割舍不去的夢。