在哈萨克斯坦阿斯塔纳专项世博会中国馆展出的“人造太阳”核聚变多媒体装置。（图片来源：新华社）
近日，中国科学家又创造了一个“世界纪录”。未来，我们传统的能源——煤、石油、天然气等，可能都要靠边站了。
7月3日22时左右，中国科学院合肥物质科学研究院等离子物理研究所传来捷报：我国的全超导托卡马克核聚变实验装置首次实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行。
全超导托卡马克核聚变实验装置，这个名字念起来有点拗口又难以理解，不过它有一个好记的名字叫“东方超环（EAST）”，也有人通俗地叫它“人造太阳”——因为它的目标是让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下，像太阳一样发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源。
在这次核聚变实验中，中国科研团队在世界上首次实现了5000万摄氏度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行，实现了从60秒到百秒量级的跨越。
聚变优点：原料储量丰富 产物没有放射性
如今，对于新能源，如太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能等，大家都不陌生，但一个不可否认的事实是，这些新能源从根本上来说，只是一种辅助能源，还无法取代煤、石油、天然气等化石燃料的地位。
从20世纪50年代开始，核电登上世界能源舞台，并展示出巨大的威力——只要燃烧极少的燃料就可获得巨大的能量。不过，核电站是以原子核的裂变反应为基础，产生的放射性废物处理起来也比较困难，而且主要核燃料铀的储量相对来说并不丰富，开采和提炼也十分困难；而核裂变反应的原料之一——钚，在自然界中甚至无法找到，需要人工合成。此外，核电在人类发展史上发生的一些大事故，比如切尔诺贝利事故和福岛核电站核泄漏事故，让人们对核电站仍心有余悸。所以，虽然以核裂变为原理的原子能在技术上已无太多障碍，但在全球能源体系内，核裂变在“能源宫斗”中，迟迟无法上位。
相对核电的核裂变来说，人造太阳的核聚变是否也会有核辐射的隐患呢？
答案是聚变的产物没有放射性。同时，由于聚变反应需要的条件比较高，一旦发生事故，造成反应的等离子体约束破裂，聚变反应便会终止。因此聚变燃料的保存运输、聚变电站的运行都比较安全。
与核裂变比起来，核聚变还有一个天然的巨大优势，它的原料储量极其丰富。其主要燃料是存在于地球海水之中的氘（氢的同位素），而另一种原料氚（同样是氢的同位素），可用中子轰击锂的方法制备；而科学家预想的聚变燃料之一“氦-3”，在月球上也有丰沛储量。
关键装置全超导托卡马克：能约束上亿摄氏度高温等离子体
核聚变，对于很多人来说似乎都有些陌生。但早在20世纪50年代初，人类就实现了核聚变反应——氢弹爆炸。其原理简单来说，就是用一个裂变反应（即原子弹）作雷管，通过原子弹爆炸制造出高温高压，从而“引爆”聚变反应，但这种瞬间的猛烈爆炸人类无法控制。因此，要把核聚变时产生的巨大能量为我们所用，必须要对剧烈的聚变核反应加以控制，所以，人类要做的就是——受控核聚变。
科学家想到的一种方法是，用粒子加速器来提高原子核速度，让其碰撞。实验证实，这种方法可以发生聚变反应，但是反应释放出的能量远小于加速原子核所消耗的能量，显然，此种方法只能做科学实验，无法提供能源。
另一种方法是提高核燃料的温度，物质温度越高，意味着其微观粒子的无规则速度越大。科学家发现，聚变反应需要的高温可达上亿摄氏度。那么，问题就来了，上亿摄氏度的高温，什么样的“炉子”才能承受呢？
其实，在这个温度上，物质都处于等离子体态，也就是说，物质的原子核和核外电子是分离的，电子不再受某一特定的原子核束缚成为自由电子，而原子失去电子也成为带正电的离子。换言之，等离子体中的粒子“带电”了。
科学家就此想到了磁场，因为带电粒子在磁场中会绕磁力线做回旋运动，可以利用通过在容器内建立磁场来约束等离子体，使其不与容器壁直接接触。于是，科学家在螺线管中，让带电粒子沿封闭的磁力线做螺旋式运动，上亿度高温的等离子体就乖乖地被约束在这种环形的磁场中了。这种环形的磁场又叫“磁瓶”或“磁笼”，可把炽热的等离子体“托举”在空中。所以说，“东方超环”这次5000万摄氏度高温的表现，其实还有很大的成长空间。
对于这一过程，中国科学院等离子体物理研究所研究员、中国工程院院士李建刚是如此表述的——“磁约束聚变利用强磁场这一‘磁容器’来约束高温等离子体，并进而将其加热至上亿度，从而维持连续的热核反应，产生巨大能量。”
而这也就是“东方超环”——“托卡马克”装置的原理：该词转写自俄语单词Tokamak，是来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、线圈（kotushka）的生造词。
来源：南方日报
作者：王诗堃
实习编辑：刘栓