中國(guó)承擔(dān)設(shè)計(jì)的脈沖高壓變電站(PPEN)400KV高壓智能主變壓器正在被吊運(yùn)。

這些天，北京的清晨多是大晴天，陽光照在身上，渾身暖暖的。“人類可以制造一個(gè)太陽來產(chǎn)生光和熱嗎?”早在上世紀(jì)50年代，一個(gè)高中學(xué)歷的蘇聯(lián)年輕少尉就提出了這個(gè)問題。當(dāng)初這個(gè)勇敢的“空想”或?qū)⒃诒臼兰o(jì)中葉變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)：通過模仿太陽的熱核聚變反應(yīng)，中外科學(xué)家們正在建造人類首顆“人造太陽”，它將帶來幾乎無限的清潔能源。

“人造太陽”計(jì)劃(國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃，簡(jiǎn)稱ITER)，由歐盟、中國(guó)、美國(guó)等7大經(jīng)濟(jì)體聯(lián)合打造，耗資50億美元(1998年價(jià))，已歷經(jīng)30 余年，預(yù)計(jì)2019年建成，2050年商用。作為當(dāng)今最具代表性的國(guó)際大科學(xué)合作研究計(jì)劃之一，它與國(guó)際空間站、人類基因組測(cè)序等項(xiàng)目一起，吸引了全世界的目光。如今，它正穩(wěn)步推進(jìn)。

上月底，中國(guó)承擔(dān)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的首個(gè)超大部件——脈沖高壓變電站(PPEN)首臺(tái)主變壓器，已運(yùn)往“人造太陽”設(shè)施的建造地法國(guó)。隨著各類設(shè)施逐漸完工，人類離建成首個(gè)“人造太陽”的目標(biāo)越來越近。

①產(chǎn)生能量可用百億年

為什么要制造“人造太陽”?這和人類長(zhǎng)久以來的能源危機(jī)有關(guān)?，F(xiàn)代以來，隨著人口增加、工業(yè)發(fā)展，人類對(duì)煤、石油、天然氣等化石能源的消耗速度越來越快，據(jù)測(cè)算，人類最多還能用兩三百年的自然能源，即使核能也只能用數(shù)百年。

此外，像煤、石油這些能源的燃燒還會(huì)引發(fā)溫室效應(yīng)、酸雨等，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞;核電站或核能發(fā)電廠的能量來源是核裂變(能量產(chǎn)生過程與核聚變相反)，所需原料稀有，產(chǎn)生的廢料也沒法安全處理，還可能產(chǎn)生核泄漏。

不光我們這一代，我們的子孫將從哪里弄這么多能源呢?科學(xué)家們帶著這個(gè)驚恐的問題，把目光投向了核聚變。天空中的太陽就是一個(gè)巨大的聚變體，幾十億年為人類提供了光、熱。那太陽是怎么做的呢?

簡(jiǎn)單來說，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量較輕的原子核聚合為一個(gè)較重的新原子核時(shí)，大量電子和中子能夠逃離原子核的束縛，帶來巨大能量。在自然界中，最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素——氘(音同刀)和氚(音同川)的聚變。據(jù)測(cè)算，1千克氫燃料經(jīng)過聚變反應(yīng)，至少可以抵得上4千克鈾燃料或1000萬千克優(yōu)質(zhì)煤燃料。

要提取它們，方法也十分簡(jiǎn)便，成本也很低。我們從海水里舀一升水，其中就含有0.03克氘，它就可以產(chǎn)出300公升汽油這么大的能量。地球上的海水能提取45萬億噸氘，它們都聚變的話，能保證人類上百億年的能源消耗。

而且核聚變非常干凈，因?yàn)榫圩兙褪前褍蓚€(gè)氫核放在一起，當(dāng)溫度到了上億度以后，它們就會(huì)聚合在一起，除了產(chǎn)出能量，其余產(chǎn)出的氦是一種清潔無害的元素。

②包住一團(tuán)1億度火球

要實(shí)現(xiàn)核聚變，需要兩個(gè)氫核互相吸引和碰撞，這需要超高的溫度和壓力。

對(duì)太陽來說，這太容易了。太陽中心的溫度高達(dá)2000萬攝氏度，而且自身重力大，所需高溫高壓自己就有了，核聚變得以持續(xù)發(fā)生，從而不斷釋放能量。但是，要在地球上模擬太陽，需要把溫度提升到超過1億攝氏度，在這樣高的溫度下，混合了氘、氚的氣體原子中帶負(fù)電的電子和帶正電的原子核已完全脫開，各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。這種完全由自由的帶電粒子構(gòu)成的高溫氣體被稱為“等離子體”。它們的持續(xù)碰撞(以下比喻為“火球”)才能產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。

但是，要做到這點(diǎn)，需要解決3個(gè)難點(diǎn)：一、用什么方法加熱氣體?二、在這個(gè)超過1億攝氏度的“火球”面前，任何固體材料都會(huì)瞬間灰飛煙滅，那么，如何“盛放”它，并使之不飛散?三、怎樣讓“火球”一直保持在超過1億攝氏度?

上世紀(jì)50年代，人類利用核聚變?cè)碇圃炝藲鋸棧?，這種核聚變其實(shí)是大量聚變?nèi)剂蠑D壓在一起，由于物質(zhì)的慣性產(chǎn)生的，能量瞬間即釋放，是不可控的，就像點(diǎn)燃一串鞭炮，其爆炸瞬間就完成了。那么，如何讓這種爆炸像在超慢的鏡頭里那樣發(fā)生，并變得可控制呢?

蘇聯(lián)科學(xué)家們此后開始設(shè)想，既然固體材料不行，用磁場(chǎng)把這團(tuán)上億攝氏度的“火球”懸浮起來不就行了嗎?他們?cè)O(shè)計(jì)了一種名為托卡馬克(Tokamak)的環(huán)形容器。“托卡馬克”這個(gè)詞在俄語中，來源于制造這個(gè)容器所需的環(huán)形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)。通過讓混合了氘、氚的氣體懸浮在一個(gè)像面包圈一樣的環(huán)中，然后不斷加熱，等達(dá)到了上億攝氏度以后它就產(chǎn)生核聚變，并輸出大部分能量。這就是磁約束，這個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)環(huán)境，就叫托卡馬克。

③有60個(gè)足球場(chǎng)那么大

蘇聯(lián)科學(xué)家的理論構(gòu)架堪稱完美，實(shí)際進(jìn)程卻充滿了坎坷和艱難。

1985年，美、蘇、歐、日共同啟動(dòng)“人造太陽”計(jì)劃(簡(jiǎn)稱“ITER”，在拉丁語中，它意為道路，旨在強(qiáng)調(diào)其提供安全、和平的能源的可能性)，目標(biāo)是要建造一個(gè)可自持燃燒的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)堆。由于美國(guó)在1998年退出，該計(jì)劃大幅修改了原初設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)費(fèi)用達(dá)到50億美元(1998年價(jià))。 2003年，中國(guó)和美國(guó)先后宣布參加該計(jì)劃，兩年后韓國(guó)宣布參加，隨后，法國(guó)和日本開始了激烈的選址大戰(zhàn)。終于，在2006年，歐、日、俄、中、美、韓和同年加入的印度草簽了建設(shè)“人造太陽”計(jì)劃的國(guó)際協(xié)定。

需要說明的是，在這50億美元中，歐盟貢獻(xiàn)46%，其余6國(guó)各貢獻(xiàn)約9%。根據(jù)協(xié)議，中國(guó)貢獻(xiàn)中的70%以上由我國(guó)制造所約定的托卡馬克部件折算，10%由我國(guó)派出所需合格人員折算，需支付國(guó)際組織的外匯不到20%。

按照設(shè)計(jì)，“人造太陽”計(jì)劃的反應(yīng)堆設(shè)施總重量是埃菲爾鐵塔的3倍，占地面積有60個(gè)足球場(chǎng)加起來那么大。這個(gè)反應(yīng)堆建成后，能夠把上億攝氏度、由氘氚組成的“火球”約束在體積達(dá)837立方米的“面包圈”中，產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時(shí)間達(dá)500秒。50萬千瓦熱功率已經(jīng)相當(dāng)于一個(gè)小型熱電站的水平。

目前，這個(gè)反應(yīng)堆正在靠近法國(guó)南部普羅旺斯地區(qū)的艾克斯建造?？茖W(xué)家們要在“面包圈”上面設(shè)計(jì)16個(gè)大型超導(dǎo)環(huán)向場(chǎng)線圈，以產(chǎn)生強(qiáng)大的環(huán)向磁場(chǎng)。在這個(gè)“面包圈”的外面，還分布著各式測(cè)量它是否正常工作的系統(tǒng)。除了這些，整個(gè)反應(yīng)堆還需要建造大型的供電系統(tǒng)、原料工廠和相關(guān)處理系統(tǒng)。

按計(jì)劃，這個(gè)反應(yīng)堆將在2019年完成，并在本世紀(jì)50年代達(dá)到商用水平，目前已經(jīng)開始采購大型部件。中國(guó)今年4月底向法國(guó)輸出的脈沖高壓變電站(PPEN)首臺(tái)主變壓器，就是其中約定的一件。它的主要功能是向磁體功率電源、輔助加熱系統(tǒng)功率電源等各類子系統(tǒng)提供所需的脈沖功率。

截至目前，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)攻克了采購包任務(wù)中遇到的所有技術(shù)難關(guān)。我國(guó)交付“人造太陽”計(jì)劃的采購包部件實(shí)現(xiàn)了100%國(guó)產(chǎn)化，而且全部一次性合格，并按期交付。該計(jì)劃兩任總干事對(duì)中方的評(píng)價(jià)是“中國(guó)在采購包的研發(fā)、生產(chǎn)方面領(lǐng)先于各方”。

盡管有質(zhì)疑者開玩笑說，這個(gè)奇跡永遠(yuǎn)是“還要再等30年”，但更多人堅(jiān)信，我們離這樣一個(gè)清潔且?guī)缀跏菬o限的能源已經(jīng)很近了。(記者 彭訓(xùn)文)