(資料圖片僅供參考)

今年5月，由我國科學家提出的太陽等離子體加熱的革新性物理機制，發表在國際著名學術期刊《自然·天文學》上，將有望推動世界“人造小太陽”科研再上新臺階。4月12日，我國建成運行的全超導托卡馬克裝置成功實現403秒穩態運行。“人造小太陽”獲得的這一重大突破，對加快實現核聚變能的應用具有重要意義。

在人類能源需求日益旺盛，但化石能源日益緊缺且減少碳排放壓力很大、可再生能源和生物能源又面臨高成本門檻的今天，核能可謂是一種相對經濟、清潔、可靠的選擇。而正在應用的主要核裂變材料鈾在陸地上相對貧乏，因此尋找新的替代材料迫在眉睫，而正在孕育的“人造小太陽”是解除人類這一困局的終極“魔法”。

“人造小太陽”是何方神圣呢？這要從水說起。常見的水中，其實還混有兩種不常見的水——重水、超重水。這3種水是由氫的三兄弟氕、氘、氚分別同氧結合形成的。氕就是最常見的氫；氘比氕重一點，因此又叫重氫；而氚又比氘重一點，所以又叫超重氫。可以說，氫的三兄弟都與人類的終極能源密切相關。世界上正在發展的氫能，就與利用水分解得到的氫（氕）有關；而氘、氚則有著更特殊的用途，它們都與核能相關。

核能的釋放通常有兩種形式：一種是重核裂變，即一個重原子核分裂成兩個或多個中等原子量的原子核，從而釋放出巨大的能量。利用重核裂變，人們造出了原子彈。目前世界上的核電站，都是依據核裂變原理建起來的，通過對反應堆加以控制實現了原子能發電。另一種是輕核聚變，是指在極高的溫度下將兩個質量較小的原子核合并為質量較大的新核，并放出大量能量的過程，也稱熱核反應、熱核聚變反應。在太陽等恒星內部，由于輕核具有持續發生聚變的條件，從而能不斷發出無窮的光和熱。人類利用輕核聚變原理，早已造出了比原子彈殺傷力更大的氫彈，但氫彈是不可控制的核聚變，瞬間能量釋放就會給人類帶來災難。

目前，中外科學家應用的“受控熱核聚變反應裝置”——托卡馬克裝置，就是利用太陽等恒星的輕核聚變原理，所以被稱為“人造小太陽”，又由于這種反應是人工可控的，因此可用作能源。他們以海水中的氘、氚為主要原料，進行輕核聚變反應試驗，以期建立聚變反應堆，但產生可控核聚變需要極高溫度和巨大的壓力，而地球上沒辦法獲得巨大的壓力，只能通過提高溫度來彌補，這樣一來溫度要達到上億度才行。但如此高的溫度沒有一種固體容器能夠承受，只能靠強大的磁場來約束。

這時，托卡馬克裝置出場了，它是在通電的時候具有強大磁約束力的真空環形容器。但是按照常規，托卡馬克裝置建反應堆不僅體積大、效率低，而且放電時間很短，無法長期穩態運行。不過，超導托卡馬克為解決這一問題提供了最有效的途徑。因此，美國、日本等國家開始研制這種實驗裝置，其中最為關鍵的步驟，則是國際熱核反應堆計劃，包括歐盟、日本和我國等在內的七方參與，于2006年正式啟動。

位于安徽合肥的中國科學院等離子體物理研究所，于2006年初建成了由我國自行設計、自行研制的新一代“人造小太陽”實驗裝置——全超導托卡馬克裝置。它的建成使我國成為世界上第四個擁有全超導裝置的國家，這也是世界上第一個同時具有全超導磁體和主動冷卻結構的托卡馬克，從而使我國磁約束核聚變研究進入世界前沿。

現在，我國的“人造小太陽”已基本成形，科學家認為再經過30年左右的時間，也就是在本世紀中葉世界上核聚變能可實現應用。不過，更樂觀的估計是我國將在2028年實現核聚變發電。到那時，中國品牌的“人造小太陽”有望成功升起。

（作者系湖南省科普作家協會會員）

關鍵詞：