受控热核反应实验装置

A. 中国的人造太阳

中国的人造太阳即“全超导托卡马克EAST核聚变实验装置”

据了解，EAST装置是中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的。

记者在实验控制室看到，这个近似圆柱形的大型物体由特种无磁不锈钢建成，高约12米、直径约5米，据介绍其总重量达400吨。

李建刚研究员说，与国际同类实验装置相比，EAST是使用资金最少、建设速度最快、投入运行最早、运行后获得等离子放电最快的先进核聚变实验装置。

“这意味着人类在核聚能研究利用领域取得重大进步，也标志着中国在这一领域进入国际先进水平”，李建刚说。

人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。氢弹爆炸时释放出极大的能量，给人类带来的是灾难。而科学家们却希望发明一种装置，可以有效地控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出，以解决人类面临的能源短缺危机。

美、法等国在20世纪80年代中期发起了耗资46亿欧元的国际热核实验反应堆(ITER)计划，旨在建立世界上第一个受控热核聚变实验反应堆，为人类输送巨大的清洁能量。这一过程与太阳产生能量的过程类似，因此受控热核聚变实验装置也被俗称为“人造太阳”。

中国于2003年加入ITER计划。位于安徽合肥的中科院等离子体所是这个国际科技合作计划的国内主要承担单位，其研究建设的EAST装置稳定放电能力为创记录的1000秒，超过世界上所有正在建设的同类装置。

EAST大科学工程总经理万元熙教授说，与ITER相比，EAST在规模上小很多，但两者都是全超导非圆截面托卡马克，即两者的等离子体位形及主要的工程技术基础是相似的，而EAST至少比ITER早投入实验运行10至15年。因此，无论从人才培养和奠定工程技术及物理基础的角度上说，EAST都将为ITER计划做出重要的、实质性的贡献，并进而为人类开发和最终使用核聚变能做出重要贡献。

不过，万元熙研究员说，虽然“人造太阳”的奇观在实验室中初现，但离真正的商业运行还有相当长的距离，它所发出的电能在短时间内还不可能进入人们的家中。但他预测，根据目前世界各国的研究状况，这一梦想最快有可能在30-50年后实现。

万元熙说，未来的稳态运行的热核聚堆用于商业运行后，所产生的能量够人类用数亿年乃至数十亿年。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。

名词解释
核聚变反应： 核聚变反应主要借助氢同位素。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，当然也不产生温室气体，基本不污染环境。 氘-氚聚变 氢原子最容易实现的聚变反应是其同位素氘与氚的聚变。氘和氚聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和17.6兆电子伏特能量。每1升海水中含30毫克氘，30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。

托卡马克装置： 托卡马克是“磁线圈圆环室”的俄文缩写，又称环流器。这是一个由封闭磁场组成的“容器”，像一个中空的面包圈，可用来约束电离子的等离子体。 EAST 又称“实验型先进超导托卡马克”，是一台全超导托卡马克装置，可能成为世界上第一个可实现稳态运行、具有全超导磁体和主动冷却第一壁结构的托卡马克。该装置有真正意义的全超导和非圆截面特性，更有利科学家探索等离子体稳态先进运行模式。

B. 受控热核反应的受控热核反应实验装置

产生受控热核反应的实验装置有两大类： 不用特殊方法维持或约束等离子体的装置。用激光束或电子束、离子束等照射固态氘或其他燃料制成的小球靶，在对称激光束的辐射下，小球靶向中心爆聚。当小球靶的温度高于一亿开，密度比固体高几千倍以上时,就会产生受控热核反应。实质上,这种热核反应就相当于微型氢弹爆炸，而“惯性约束”就意味着不约束。
惯性约束涉及很多等离子体动力学问题，如激波加热问题。在爆聚过程中，如果只有单个激波，最大压缩时的密度只能增加3倍;如果对激光束的输出功率进行调制，使等离子体产生一系列激波，并在所要求的时间内同时收缩到中心（靶心），则可使密度增大1000倍。要达到这种效果，大约需要7个激波。这样的时间控制,已在实验室中实现。惯性约束中的等离子体稳定性问题也是等离子体动力学研究的问题之一。由于爆聚过程相当于轻流体驱动重流体作加速运动,会产生瑞利-泰勒不稳定性（见磁流体力学稳定性）。其后果不仅使爆聚失去对称性，影响压缩比，而且会产生强烈混合，降低燃烧率。这是实现激光核聚变的主要障碍之一。 用强磁场使高温等离子体与容器器壁隔开的装置，有托卡马克（见磁流体静力学）、磁镜、仿星器和角箍缩等。托卡马克是研究得最普遍的一种，实验数据也和劳孙判据最接近。
学者们曾提出多种把等离子体加热到高温的方法。首先是欧姆加热法，即用大电流通过等离子体，等离子体由于具有一定电阻而产生热效应，温度因而升高。但是温度升到一定程度，电阻便下降，所以此法一般只能加热到1000万开左右。其次是磁压缩法，即用逐渐增强的磁场来压缩等离子体，以达到加热的目的。目前最有效的加热法是注入中性束，即把高能的中性粒子束（如氘粒子束）透过磁场注入等离子体，从而提高等离子体的温度。采用这种方法,1981年美国的托卡马克PLT装置已能达到8000万开的高温。目前正在研究的是波加热法，即把各种不同频率的波入射到等离子体中，通过共振使等离子体加热。
被磁场包围(约束)的高温等离子体的一个固有特性是磁流体力学不稳定性。经过多年研究，已提出一些有效的方法来抑制磁流体力学不稳定性的发生。例如，在等离子体中加上强纵向磁场，在强纵向磁场外面加上良导体壁，设计某些特殊的磁场位形，等等（见磁流体力学稳定性）。

C. 核聚变要在近亿度高温条件下进行，这时所有物质都被气化，那么怎样产生高热，又用什么装它呢

核聚变反应堆主体是用一种球形磁场来约束的。核聚变的产生条件就需要较小的原子核发生碰撞和融合，但原子核都带正电，原子外层都带负电。

原子核想碰一起需要很高的能量来突破电磁力的排斥，就像让两块小磁铁同极相触一样（但难度不是一个量级）。温度反映了物质内部粒子的运动能量，所以高温下才会有可能让高速的原子核艰难碰撞在一起。

要引发氢弹首先要引发原子弹，用原子弹核裂变产生的极高温度才能使氢核之间剧烈碰撞而发生核聚变反应，所以一般某国家在研究两弹时，都是先研制出原子弹，再研制出氢弹。这也是为何氢弹比原子弹杀伤力强的原因之一。

(3)受控热核反应实验装置扩展阅读：

热核反应，或原子核的聚变反应，是当前很有前途的新能源。参与核反应的轻原子核，如氢（氕）、氘、氚、锂等从热运动获得必要的动能而引起的聚变反应（参见核聚变）。热核反应是氢弹爆炸的基础，可在瞬间产生大量热能，但尚无法加以利用。

如能使热核反应在一定约束区域内，根据人们的意图有控制地产生与进行，即可实现受控热核反应。这正是在进行试验研究的重大课题。受控热核反应是聚变反应堆的基础。聚变反应堆一旦成功，则可能向人类提供最清洁而又是取之不尽的能源。

冷核聚变是指：在相对低温（甚至常温）下进行的核聚变反应，这种情况是针对自然界已知存在的热核聚变（恒星内部热核反应）而提出的一种概念性‘假设’。

这种设想将极大的降低反应要求，只要能够在较低温度下让核外电子摆脱原子核的束缚，或者在较高温度下用高强度、高密度磁场阻挡中子或者让中子定向输出，就可以使用更普通更简单的设备产生可控冷核聚变反应，同时也使聚核反应更安全。