受控熱核反應實驗裝置

A. 中國的人造太陽

中國的人造太陽即「全超導托卡馬克EAST核聚變實驗裝置」

據了解，EAST裝置是中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的。

記者在實驗控制室看到，這個近似圓柱形的大型物體由特種無磁不銹鋼建成，高約12米、直徑約5米，據介紹其總重量達400噸。

李建剛研究員說，與國際同類實驗裝置相比，EAST是使用資金最少、建設速度最快、投入運行最早、運行後獲得等離子放電最快的先進核聚變實驗裝置。

「這意味著人類在核聚能研究利用領域取得重大進步，也標志著中國在這一領域進入國際先進水平」，李建剛說。

人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的。氫彈爆炸時釋放出極大的能量，給人類帶來的是災難。而科學家們卻希望發明一種裝置，可以有效地控制「氫彈爆炸」的過程，讓能量持續穩定的輸出，以解決人類面臨的能源短缺危機。

美、法等國在20世紀80年代中期發起了耗資46億歐元的國際熱核實驗反應堆(ITER)計劃，旨在建立世界上第一個受控熱核聚變實驗反應堆，為人類輸送巨大的清潔能量。這一過程與太陽產生能量的過程類似，因此受控熱核聚變實驗裝置也被俗稱為「人造太陽」。

中國於2003年加入ITER計劃。位於安徽合肥的中科院等離子體所是這個國際科技合作計劃的國內主要承擔單位，其研究建設的EAST裝置穩定放電能力為創記錄的1000秒，超過世界上所有正在建設的同類裝置。

EAST大科學工程總經理萬元熙教授說，與ITER相比，EAST在規模上小很多，但兩者都是全超導非圓截面托卡馬克，即兩者的等離子體位形及主要的工程技術基礎是相似的，而EAST至少比ITER早投入實驗運行10至15年。因此，無論從人才培養和奠定工程技術及物理基礎的角度上說，EAST都將為ITER計劃做出重要的、實質性的貢獻，並進而為人類開發和最終使用核聚變能做出重要貢獻。

不過，萬元熙研究員說，雖然「人造太陽」的奇觀在實驗室中初現，但離真正的商業運行還有相當長的距離，它所發出的電能在短時間內還不可能進入人們的家中。但他預測，根據目前世界各國的研究狀況，這一夢想最快有可能在30-50年後實現。

萬元熙說，未來的穩態運行的熱核聚堆用於商業運行後，所產生的能量夠人類用數億年乃至數十億年。從長遠來看，核能將是繼石油、煤和天然氣之後的主要能源，人類將從「石油文明」走向「核能文明」。

名詞解釋
核聚變反應： 核聚變反應主要藉助氫同位素。核聚變不會產生核裂變所出現的長期和高水平的核輻射，不產生核廢料，當然也不產生溫室氣體，基本不污染環境。 氘-氚聚變 氫原子最容易實現的聚變反應是其同位素氘與氚的聚變。氘和氚聚變後，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。每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚變產生的能量相當於300升汽油。

托卡馬克裝置： 托卡馬克是「磁線圈圓環室」的俄文縮寫，又稱環流器。這是一個由封閉磁場組成的「容器」，像一個中空的麵包圈，可用來約束電離子的等離子體。 EAST 又稱「實驗型先進超導托卡馬克」，是一台全超導托卡馬克裝置，可能成為世界上第一個可實現穩態運行、具有全超導磁體和主動冷卻第一壁結構的托卡馬克。該裝置有真正意義的全超導和非圓截面特性，更有利科學家探索等離子體穩態先進運行模式。

B. 受控熱核反應的受控熱核反應實驗裝置

產生受控熱核反應的實驗裝置有兩大類： 不用特殊方法維持或約束等離子體的裝置。用激光束或電子束、離子束等照射固態氘或其他燃料製成的小球靶，在對稱激光束的輻射下，小球靶向中心爆聚。當小球靶的溫度高於一億開，密度比固體高幾千倍以上時,就會產生受控熱核反應。實質上,這種熱核反應就相當於微型氫彈爆炸，而「慣性約束」就意味著不約束。
慣性約束涉及很多等離子體動力學問題，如激波加熱問題。在爆聚過程中，如果只有單個激波，最大壓縮時的密度只能增加3倍;如果對激光束的輸出功率進行調制，使等離子體產生一系列激波，並在所要求的時間內同時收縮到中心（靶心），則可使密度增大1000倍。要達到這種效果，大約需要7個激波。這樣的時間控制,已在實驗室中實現。慣性約束中的等離子體穩定性問題也是等離子體動力學研究的問題之一。由於爆聚過程相當於輕流體驅動重流體作加速運動,會產生瑞利-泰勒不穩定性（見磁流體力學穩定性）。其後果不僅使爆聚失去對稱性，影響壓縮比，而且會產生強烈混合，降低燃燒率。這是實現激光核聚變的主要障礙之一。 用強磁場使高溫等離子體與容器器壁隔開的裝置，有托卡馬克（見磁流體靜力學）、磁鏡、仿星器和角箍縮等。托卡馬克是研究得最普遍的一種，實驗數據也和勞孫判據最接近。
學者們曾提出多種把等離子體加熱到高溫的方法。首先是歐姆加熱法，即用大電流通過等離子體，等離子體由於具有一定電阻而產生熱效應，溫度因而升高。但是溫度升到一定程度，電阻便下降，所以此法一般只能加熱到1000萬開左右。其次是磁壓縮法，即用逐漸增強的磁場來壓縮等離子體，以達到加熱的目的。目前最有效的加熱法是注入中性束，即把高能的中性粒子束（如氘粒子束）透過磁場注入等離子體，從而提高等離子體的溫度。採用這種方法,1981年美國的托卡馬克PLT裝置已能達到8000萬開的高溫。目前正在研究的是波加熱法，即把各種不同頻率的波入射到等離子體中，通過共振使等離子體加熱。
被磁場包圍(約束)的高溫等離子體的一個固有特性是磁流體力學不穩定性。經過多年研究，已提出一些有效的方法來抑制磁流體力學不穩定性的發生。例如，在等離子體中加上強縱向磁場，在強縱向磁場外面加上良導體壁，設計某些特殊的磁場位形，等等（見磁流體力學穩定性）。

C. 核聚變要在近億度高溫條件下進行，這時所有物質都被氣化，那麼怎樣產生高熱，又用什麼裝它呢

核聚變反應堆主體是用一種球形磁場來約束的。核聚變的產生條件就需要較小的原子核發生碰撞和融合，但原子核都帶正電，原子外層都帶負電。

原子核想碰一起需要很高的能量來突破電磁力的排斥，就像讓兩塊小磁鐵同極相觸一樣（但難度不是一個量級）。溫度反映了物質內部粒子的運動能量，所以高溫下才會有可能讓高速的原子核艱難碰撞在一起。

要引發氫彈首先要引發原子彈，用原子彈核裂變產生的極高溫度才能使氫核之間劇烈碰撞而發生核聚變反應，所以一般某國家在研究兩彈時，都是先研製出原子彈，再研製出氫彈。這也是為何氫彈比原子彈殺傷力強的原因之一。

(3)受控熱核反應實驗裝置擴展閱讀：

熱核反應，或原子核的聚變反應，是當前很有前途的新能源。參與核反應的輕原子核，如氫（氕）、氘、氚、鋰等從熱運動獲得必要的動能而引起的聚變反應（參見核聚變）。熱核反應是氫彈爆炸的基礎，可在瞬間產生大量熱能，但尚無法加以利用。

如能使熱核反應在一定約束區域內，根據人們的意圖有控制地產生與進行，即可實現受控熱核反應。這正是在進行試驗研究的重大課題。受控熱核反應是聚變反應堆的基礎。聚變反應堆一旦成功，則可能向人類提供最清潔而又是取之不盡的能源。

冷核聚變是指：在相對低溫（甚至常溫）下進行的核聚變反應，這種情況是針對自然界已知存在的熱核聚變（恆星內部熱核反應）而提出的一種概念性『假設』。

這種設想將極大的降低反應要求，只要能夠在較低溫度下讓核外電子擺脫原子核的束縛，或者在較高溫度下用高強度、高密度磁場阻擋中子或者讓中子定向輸出，就可以使用更普通更簡單的設備產生可控冷核聚變反應，同時也使聚核反應更安全。