核电站

核电站是利用原子能发电的设施，目前世界上很多国家都把原子能发电当作解决能源危机的重要措施。到1988年底，世界上已有26个国家和地区建立了核电站，414台核电机组并网发电，占世界总发电量的17％。核电站是把原子核裂变释放出来的能量转化为高温蒸汽的内能，然后推动蒸汽轮机发电。核电站的中心部分是进行核反应的反应堆，图9－9是核反应堆的示意图。反应堆用的燃料是浓缩铀（含U2352～4％）。U235很容易俘获中子产生裂变，裂变时同时放出2～3个中子，这些中子又去轰击其他铀核，于是裂变反应得以连续进行，称作链式反应。裂变时释放出大量的原于能。原子弹的链式反应进行得非常迅速，在极短时间内释放出大量的射线和能量，破坏性很大。而用于核电站中的核反应堆，则需要链式反应进行的缓慢，以保证稳定地向外输出能量。

各国竞相研制可供无限能源的装置 我国设备已开始调试 7月可放电实验

晨报特派记者 杜琛 合肥报道

古希腊神话中，普罗米修斯盗得的天火———太阳，成为照亮地球永不枯竭的能量。今天，为了解决人类终将枯竭的能源烦恼，缔造现实版“人造太阳”成为全世界科学家的共

同目标。世界上现有30多个国家有这方面的研究，建造了上百个实验装置，科研人员1.2万多人，每年经费超过20亿美元。

托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。

托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

相比其他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1968年8月在苏联新西伯利亚召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏联的T-3托卡马克上实现了电子温度 1 keV，质子温度 0.5 keV，nτ=10的18次方m-3.s，这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学由仿星器-C改建成的 ST Tokamak，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克(Ormark)，法国冯克奈-奥-罗兹研究所的 TFR Tokamak，英国卡拉姆实验室的克利奥(Cleo)，西德马克斯-普朗克研究所的 Pulsator Tokamak。

等离子体物理研究所距离梦想越来越近了，他们的“人造太阳”设备已经为人类搭起了通往未来的桥梁，现已进入工程调试阶段。2月14日，晨报记者有幸踏上中国“人造太阳”基地———中科院等离子体物理研究所的合肥科学岛，一睹中国“人造太阳”的神秘面容。

工作原理：模拟太阳

让1升海水变成300升汽油

春节刚过，位于合肥市西北郊的科学岛上已是一片忙碌。“人造太阳”项目总装办主任吴维越说，这个春节研究人员几乎都是在科学岛上度过的。为了设备早日投入运行，从项目的筹备立项到现在，他们已经前后忙碌了整整8年。

记者了解到，这台全名叫EAST非圆截面全超导托卡马克的装置，以探索无限而清洁的核聚变能源为目标。由于它和太阳产生能量的原理相同，都是热核聚变反应，所以被外界称为“人造太阳”。

而所谓的“人造太阳”的原理，就是在这台装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。

1升海水提取的氘，在完全的聚变反应中释放的能量，相当于燃烧300升汽油释放的热能。因此一旦这种技术成熟，建立了电站，就相当于建立了一个“人造太阳”。

据悉，EAST是世界上百台托卡马克装置中最先进的。不过外人很难相信，记者眼前的它，就藏身在一间外表极为普通的屋子里。屋内面积有一个足球场般大小，中间朝地下深挖了数米，这个世界上最先进的托卡马克装置就在大坑中央。从外形上看是粗大的钢铁圆柱，上端好像战士头上的钢盔，有7米多高，下面用9根合抱粗的钢柱支撑，犹如科幻片中外星人乘坐的探测器。

吴维越向记者介绍，产生能量的聚变反应，就发生在酷似外星探测器内的真空装置里面，而反应的发生需要多个子系统同时工作，比如电源系统，使线圈达到并保持超导状态的低温系统，用来抽真空的真空机组等。

运转过程：类似烧锅炉

7月就可以进行放电实验

目前总装的第一阶段已经完成，正在开始工程调试。“如果一切顺利，7月份就可以放电(指做实验)了。”总装办主任吴维越兴奋地告诉记者。

“放电”时的“人造太阳”将是一种什么样的情形呢？

“除了位于其他大厅的某些设备会发出一些声响外，真空室内一切静悄悄。”吴维越神秘地回答。原来，做实验的时候，整个大厅是封闭的，所有工作人员都要离开“人造太阳”的屋子，但大厅内的情形和放电时真空室内的情形都可以在控制室内的录像中看到，各系统的监控、实验方案的实施、实验图表的获得等等也都是在控制室内进行的。

吴维越告诉记者，聚变反应的过程有些类似于烧锅炉，首先要点火，即产生等离子体，然后要使火焰变大变强，即提高等离子体的温度和密度，使其发生碰撞，发生聚变反应，温度越高、密度越大反应就越剧烈。在未来的聚变电站中，反应产生的能量可以通过裂变电站的能量输出转换装置来供人类使用，这方面的技术是成熟的。

安全问题：能力释放过程完全可控

即使出现事故也不用疏散人群

在几千万乃至上亿度的高温下发生反应，安全无疑成为最受关注的问题。人们往往会想到会不会有核辐射，会联想到令人色变的乌克兰切尔诺贝利核电站爆炸事件。

吴维越告诉记者，EAST装置只有在放电的时候才会产生中子辐射，一旦实验结束就没有了辐射，而产生的中子辐射是不会影响到大厅之外的。EAST大厅是全封闭式构造，四周墙壁的厚度达到1.5米，屋顶的厚度为1米，内部全部为钢筋捆扎，表面用水泥浇铸而成。

“这样中子就可以完全被隔绝在里面。”吴维越说，同时“人造太阳”所用原料也都不是具有辐射性的铀等元素，没有任何辐射的后遗症。

人们认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的。然而氢弹爆炸时释放出极大的能量，给人类带来的是灾难。那么“人造太阳”会不会发生爆炸呢？

吴维越说，氢弹用的聚变原理过程不可控，不可控的瞬间能量释放只能给人类带来灾难。而EAST的热核反应是可控的。加入EAST装置真空室内的原料是少量的，真空室气体密度非常低，而且产生的等离子体被磁场牢牢地束缚住，是很安全的。即使发生了想象中最坏的事故，也只是对实验和装置有影响，周围地区的人群不用疏散。

乐观估计30-50年可运用到日常生活

世界将不再为石油而战

晨报记者：作为世界第一台全超导的“人造太阳”，它的建成对人类的未来意味着什么？

万元熙：它将为人类未来建造工业应用的聚变电站搭起一座桥梁。目前，在托卡马克装置上进行聚变反应已经获得不小的成功，但要实现稳态、长时间地运行还有很长的路要走，我们就是想通过全超导技术来解开这个“死结”，让它运行的时间更长，从实验逐步走向应用。

一旦聚变电站成功运行，带给世界的变化将是革命性的。各国之间再也不用为中东的石油而发生战争。没了石油、煤矿开采带来的污染，二氧化碳的温室效应、南极冰面的萎缩、海岸线的增高等等一系列现在人类头疼的问题都会消失。它将给人类带来无限清洁的能源，就像太阳给我们的一样。

晨报记者：目前世界通行的“人造太阳”能工作多长时间？我们这台中国“人造太阳”又能突破到怎么样的高度？

万元熙：世界目前的平均水平只有300多秒，如果正常运行，我们的“人造太阳”可以达到上千秒，随着技术的成熟，未来可能达到一个星期，甚至一个月。到那时，将是非常了不起的。

晨报记者：目前，困扰“人造太阳”从实验走向现实应用的难题有哪些？

万元熙：除了刚才所说的稳态运行问题外，材料也是一大难题，现在没有哪种材料能保证在上亿度环境下不会被损坏，这个问题还得靠科学家经过无数次的实验研制出合适的材料。

晨报记者：说到这套设备我们还是不得不提到安全问题，因为采用裂变反应技术的核电站泄漏令人们不安，你们如何保证“人造太阳”装置不会产生辐射和巨大的爆炸？

万元熙：这是所有人关心的问题，不过，大家可以放心。“人造太阳”完全不同于裂变核电站，它采用的原料是氢和它的同位素氘，这种原料本身就没有辐射性，虽然聚变过程中等离子体碰撞产生中子是一种辐射，但它是短暂的，一旦放电结束就不会再产生中子了，放电过程中产生的中子也是可防护的，通常都不能穿过我们1.5米厚的墙。

而爆炸的可能性根本不存在。虽然等离子体经过聚变能达到上亿度，但都被磁场紧紧约束住，不会膨胀。即使设备出现了问题，等离子体也会在瞬间消失，不会发生爆炸。

晨报记者：人们都很关心“人造太阳”何时可以运用到日常生活中？

万元熙：我们的装置建成后虽然可以大大地推进研究进展，但距离实际的工业应用还有很长的路要走，乐观估计也要30到50年。由中国、美国、欧盟、曰本、俄罗斯、韩国参加的国际热核反应堆合作计划(ITER)是一个更先进的装置，它需要10年才能建成；材料的发明、制造需要10年；建立示范堆，检验它在实际应用中的效率问题等等，这又要10年。此外，还取决于各国政府在能源问题上的认识和态度，如果都非常支持，时间就短些，否则会更长

劳逊判据与托卡马克装置

当我们点煤炉时，煤一方面燃烧发出热量，另一方面又向四周散失热量。只有当点燃的煤足够多，使它燃烧发出的热量比散失的热量大，煤炉里的火才能愈烧愈旺，成为一个释放能量的来源。这时我们可以说这个煤炉已实现了点火。

聚变反应与裂变反应不同。裂变反应时可以不需要入射中子有动能；而为了实现聚变，首先要输入能量。当输入的能量与聚变反应产生的能量相等，即能量增益因子等于1时，称为得失相当。实际上，由于创造聚变条件消耗的电能，一般要3倍于它的热能才能生产出来，所以要使能量增益因子等于3时，才能真正地实现得失相当，能量收支平衡。

按照与煤炉点火类似的道理，英国科学家劳逊1957年提出实现得失相当的条件，即劳逊判据。对于氘、氚聚变，为了实现得失相当，等离子体的温度大约要1亿摄氏度，等离子密度（以每立方厘米的粒子数为单位）与约束时间（以秒为单位）的乘积，大约要达到100万亿。氘氚聚变得失相当的条件，比氘、氚聚变要困难几十倍。由于氘氚聚变得到的能量，大部分被聚变产生的中子带出等离子体，不能用于维持等离子体的加热状态，因而点火条件比得失相当要困难些。

1954年前苏联第一个托卡马克装置，实现了个别的聚变反应，但聚变反应产生的能量极微。直到1970年，前苏联在另一个托卡马克装置上，才有可以察觉到的聚变能量输出。在这座装置上，为了实现聚变消耗了10亿份能量，才得到1份聚变能量。又经过10年，在美国和西德两台托卡马克装置上，聚变能量的输出份额就增加了2亿倍。这2台装置，可以在非常短暂的瞬间，为实现聚变每消耗10份能量而得到2份聚变能量。

1982年圣诞节前夕，美国为实现点火而设计的大型托卡马克装置在普林斯顿大学建成。该装置是1974年批准，1977年动工的。1980年，美国总统卡特曾签署了《聚变能源工程法》，要求在7年内将聚变经费翻一番，2000年前投资200亿美元，1990年建成工程试验装置，2000年前建成聚变示范堆。而实际上这一法令的颁布，却成了美国聚变研究走下坡路的分水岭，聚变经费一再压缩。一方面由于经费的一再压缩，更主要的是由于聚变技术比原来想象的要复杂得多，所以原来确定的目标也一再推迟。

在此之后，1983年6月在英国建成比上述装置更大的欧洲联合环。1985年4月，曰本的大型托卡马克装置已建成并投入使用。前苏联的大型托卡马克装置也已建成。由于实现点火后，装置就有强烈放射性，难以进行检修和从事各项基本研究，所以专家们期望尽可能推迟在这四座大型托卡马克装置上进行点火实验的时间，以便更多地从事一些等离子体物理的基础研究。

1984年9月，我国第一台中型聚变装置——中国环流器一号在四川乐山市郊建成。该装置是托卡马克型，达到国外20世纪70年代的水平

近日，中科院物理研究所、北京凝聚态物理国家实验室和清华大学工程物理系共同管理的SUNIST球形托卡马克联合实验室正式成立。清华大学工程物理系教授何也熙将担任该联合实验室主任，物理所研究员杨宣宗担任副主任，并聘请王乃彦院士为学术委员会主任。

球形托卡马克又称球形环、低环径比托卡马克，是一种高温等离子体核聚变装置。和传统的托卡马克不同，它的环径比(等离子体环的大半径/小半径)很小，使整个等离子体呈球形。它可以更有效地利用磁能，磁流体不稳定性方面也有好的性能。预计这种类型的聚变反应堆可以较传统托卡马克堆缩小体积，降低造价。

1999年物理所和清华大学工程物理系签订协议，共同在清华大学工程物理系建造一台球形托卡马克，并建立联合实验室。2002年11月，这台装置建成并投入运转，并命名为SUNIST，意义是Sino-United Spherical Tokamak。其主要参数为：大半径0.3m，环径比1.3，磁场0.15Tesla，等离子体电流50kA。这是我国第一台球形托卡马克。三年来，该装置运转正常，取得了一批实验研究成果。

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