二、人造的微型太阳

要解决人类对能量的长期需求，最好的办法是发展可控热核反应。它是在极高的温度下，使轻原子核发生聚变而产生能量的一种方法。核聚变的原理早在 1933 年就被发现了，比裂变原理的发现整整早了 5 年。可是由于技术复杂，人类至今尚未建成聚变核电站。只能由不受控制的热核反应——氢弹来显示聚变过程惊人的威力。

核聚变实际上是宇宙中经常发生的一种能量转换过程。亿万颗恒星，包括我们的太阳在内，辐射的能量都是在氢核聚合成氦核时释放出来的。因此，有人把核聚变装置称作人造“微型太阳”。但核聚变这种自然界中轻而易举、天天发生的过程，却是科学技术上久攻不克的顽固堡垒。

聚变反应遇到的第一个问题是轻核都带有正电，因此会互相排斥。要发生聚合，必须使轻核以极高的速度运动，能克服静电斥力而相撞在一起。看起来这个问题不难，因为把带电粒子加速到很高的能量还是有办法的。如电视机的显像管，就能把电子加速到这样高的速度。利用粒子加速器也可使轻核加速到同样高的速度，用这种高速粒子去轰击轻元素的靶核，原则上就能产生聚变反应。然而实际上，这种做法效率很低，绝大部分入射粒子会反跳回来。散射的概率比聚变的概率高几百万倍。

另一种办法是把聚变燃料加热到极高的温度。这时，杂乱无章的热运动，会使一部分轻核达到足够高的速度，克服斥力而聚合到一起。在这样高的温度下，轻核发生电离而成为正离子，核外电子不再绕核运动，而能在空间自由飞翔。这时的物质既不是固态，也不是液态或气态。在这种状态下，物质的每个体积单元中，都含有相等数目的自由电子和正离子，因此称为等离子体。它是物质的第四种状态。

实际上，宇宙中极大部分物质都以等离子体状态存在。所有恒星，包括太阳在内，主要成分都是氢和氦的等离子体。在地球上，最普通的等离子体则是霓虹灯内的发光气体。

在太阳中产生等离子体，主要是依靠它本身巨大的质量和体积。根据测定，太阳的质量占整个太阳系的 99.8％，其中 73％是氢，25％是氦，2％是碳、氮、氧等核素。它的平均密度为 1410 千克/米 3，比地球要小好几倍

（地球的平均密度为 5520 千克/米 3）。表面温度为 5780K。然而，在强大的引力作用下，太阳中心的密度则为 105 千克/米 3，每立方厘米的质子数达到 1025，温度高达 1500 万度。

但是，即使在这样的条件下，太阳中实际上也只有极少数质子发生聚变反应。大部分质子等了几十亿年还没有轮上。说起来也许不信，太阳中每克物质所发出的热量，比人体在新陈代谢过程中发出的热量小 100 多倍，其数值只有 5×10－3 卡/（克·秒）。整个太阳所以能发出非常巨大的能量，只是因为它的总质量很大而已。

既然太阳中每克物质产生的能量比人体小 100 倍，它又怎能保持它的炽热状态呢？这时，因为单位时间发出的热量与太阳的体积成正比，而散走

的热量则与太阳的表面积成正比。因此体积越大，散热越慢，温度越高。在动物界，大象散热的速度就要比老鼠小 30 倍。如果它的新陈代谢和老鼠一样旺盛，就会被活活烤焦。

预计人类能够建造的热核装置，其尺寸要比太阳小得多，远远小于老鼠和大象的比例关系。因此，为了保证热核聚变的温度条件，能源释放热量的速率应比太阳大得多。现在，人类用一种比较粗暴的方式，来达到热核反应所需的高温。氢弹中的聚变过程，是依靠核裂变炸药来点燃的。聚变过程在极短的一瞬间完成，放出能摧毁一切的巨大能量。

要实现受控的聚变反应，则需采用另外一些方法，例如用强大的电流通过等离子体对它加热，或用激光等高度集中的能量使它升温。然而，要想使聚变释放的能量大于对等离体进行加热所消耗的能量，却并非易事。因为轻核在几百万次碰撞中，才能有一次机会发生聚变反应。因此要达到目的，必须把炽热的等离子体约束一段时间，不马上散掉，而且等离子体内粒子的密度要很大，以增加碰撞的机会。约束时间 T（秒）和等离子体的密度 n（粒子数/厘米 3）有关。密度大，约束时间可短一些。反之，约束时间就要加长。这个条件称为劳逊判据。氘—氚聚变，要求 nT 大于或等于 1014 秒/厘米 3，反应温度为 1 亿度；氘—氚聚变，要求 nT 大于或等于 1016 秒/厘米 3，反应温度为 5 亿度。

在太阳中，对等离子体进行约束是不成问题的。它依靠自己的引力，自然而然地做到了这一点。然而在地球上，这却是一项极其困难的任务。如果将我们呼吸的空气加热到等离子体的温度，它的压力将为 1000 万大气压。地球上没有一种容器能把它约束在一起。而且任何容器材料与等离子体相遇时，不是本身被气化，就是使等离子体立即冷却下来。

多年来，从事聚变研究的科技人员，一直把希望寄托在各式各样的“磁瓶”上。根据磁性流体力学的理论，带电粒子在磁场中将沿磁力线作螺旋运动，而不会横切磁力线离去。磁场越强，回旋半径越小。当磁场强度高达几万高斯，温度为几千万度时，带电粒子的回旋半径只有几毫米。由于等离子体也是一种带电的粒子流，因此可以利用这一原理对它进行约束。

目前，用磁来约束等离子体的最好办法，是利用一种叫做托卡马克的环形装置。1966 年，前苏联首先在这种装置上取得初步成果。

美国现有一台世界上规模最大的托卡马克装置在运行。这个装置在 1982

年成功地约束了首批等离子体，使聚变反应进行了 50 毫秒。等离子体温度达

到 1.8 亿度。

我国在 1984 年 9 月启动了自己设计和研制的受控核聚变装置——中

国环流器一号。8 年来，它完成重大实验 20 多个，获得研究成果 400 多项。

最近 3 年，科研人员针对世界核聚变研究的前沿课题开展工作。在核聚变的三大要素，即等离子体的密度、温度和约束时间方面，都取得了新的突破性进展。人造的微型太阳即将冉冉升起。