关住一亿度高温的“魔室”

1952 年，美国在马绍尔群岛的一个小岛上进行了名为“迈克”的试验，

爆炸了一颗相当于 1300 万吨黄色炸药的氢弹，使这个小岛从此从地球上消失。

这就是氢弹的威力。一颗原子弹足以毁灭一个城市，然而在氢弹面前，原子弹不过是小巫见大巫：氢弹是用原子弹引爆的，原子弹不过是氢弹的“雷管”！一颗氢弹可以相当于 5000 万吨黄色炸药，比前面所说的氢弹威力还大四倍！

事实上，用热核反应作为新的能源，正是许多科学家们梦寐以求的目标。氢弹爆炸的原理是热核反应，是两个重氢（氘）或超重氢（氚）的原子在数百万度高温下生成一个氦原子的反应，所以称热核反应，也叫核聚变，反应放出的能量比核裂变放出的能量高六倍。核聚变还是一种清洁的能源，它不像核裂变那样污染环境。在这里需要补充说明一下：核裂变是铀 235（或是钚 239 等）受到中子轰击分裂成一个钡原子和一个氮原子，并释放出三个中子的反应。反应放出巨大能量，几乎为普通炸药的一亿倍。这正是原子弹爆炸所发生的反应，也是目前地球上几百座核电站里的反应。核电站的废气中有放射性气体氪 85，这是一种不起化学反应的惰性气体，在空气中能存在很久而保持着放射性。核裂变的放射性固体废渣也令人头痛，目前的处理方法是深埋到废弃矿井里。核电站还有爆炸泄漏的危险，前苏联的一次泄漏曾经造成长时间的放射性污染。热核反应作为能源就没有这些问题，它没有放射性副产物；其次，核聚变需要在数百万度的高温下反应，装的原料少，一旦发生泄漏，反应也自然停止了。

核聚变反应的原料氘（也叫重氢）在地球上的储量非常丰富，普通水中都含有五千分之一的重水，重水是氘（重氢）和水的化合物，电解重水就可以得到重氢。一桶平常的水中所含重氢的能量相当于 400 桶优质石油，地球的水资源中重氢的能量，可供人类使用几百亿年！

核裂变已经成功地用来发电，成为一种廉价的能源，而对核聚变反应进行控制以利用反应释放的能量还处在研究和实验阶段。

要利用核聚变反应的能量，就必须对反应进行控制，必须建造反应堆，这当然比爆炸氢弹难得多。爆炸氢弹的目的是利用它的巨大能量进行破坏，温度越高越好，压力越大越好，冲击越强越好，不需要控制。而现在的任务是不让它有一点破坏性，安安静静、服服帖帖地交出它的能量。首先想到的问题就是：热核反应产生上亿度的高温，用什么材料建造反应堆，才能关得住这个小太阳呢？况且，一旦反应物接触到反应堆内壁，也会冷却下来。幸而，物理学家想出了非常巧妙的办法，其中之一就是磁约束。

已经知道，在高温下，所有的电子都会脱离原子核的束缚，形成等离子体，它是由自由电子和失去电子的原子核组成的。等离子体在强磁场面前会受到排斥力而被推开。因此，用磁体围成一个房间，等离子体就会受到周围墙壁的推拒而集中在房间的中央。在热核反应近亿度的高温下，重氢和氮都会成为等离子体，当然可以用磁场来建造反应装置，把上亿度的火球关在磁场里，再让它把能量慢慢释放出来。

实际研究中已经建立了几种不同的装置来进行受控热核反应，如托卡马克装置、仿星器等。托卡马克是由磁体围成的环形真空容器，仿星器是用磁体围成“8”字形，里面的空腔也呈“8”字形，等离子体在腔内循环流动，再用各种方式加热等离子体，使它们达到热核反应所必需的温度。

建造托卡马克和仿星器以及磁镜式装置都需要强磁体。这些磁体的磁场比磁悬列车所用的超导磁体强十到二十倍，如果用普通电磁铁，耗电量将是惊人的。

因此，又得借助超导技术来解决问题。一些致力开发受控热核反应的工业化国家，也都开始了大型超导磁体的制造。这些超导磁体除了需要高的磁场强度以外，还要承受大的电流密度，更高的稳定性和安全性，极大的应力，以及制冷和冷却技术等。

大型超导磁体所用的超导线材，除铌钛合金外，还有铌三锡。铌钛合金在前面已有介绍，下面谈谈铌三锡。

研制超导线材的历史和超导现象的研究一样悠久，昂纳斯就曾经制作过铅制线圈，在他以后，经历了很长的时间，才做出符合条件的线材，超导磁体才被制造出来。

首先是各种单质超导材料，主要是金属，都用来制作过超导线材，特别是铌，因为在单质中临界温度最高，被寄予很大的希望，但由于临界磁场过低，都失败了。

以后在铌中添加其它金属，得到了合金超导材料，通过一系列稳定化措施，得到了有实用价值的合金线材，如铌钛合金，能制造产生 10 特斯拉磁场

强度的超导磁体，用在磁悬浮列车上。要制造磁场强度为 20 特斯拉的超导磁体，就必须使用更优良的化合物超导材料，因为它已经超过了合金的临界磁场，在这个强度下，合金会失去超导性。

1930 年就发现了化合物超导材料碳化铌，这是人类第一次发现临界温度超过 10K 的超导材料，到 50 年代，又发现了临界温度为 17K 的钒三硅、18K 的铌三锡，以后共发现了这类由两种元素组成的化合物 40 多种，其中有些有很高的临界温度，但实际使用的只有铌三锡和钒三镓，因为它们能制作线材，其它的则无法制备。

这类化合物具有类似食盐那样的晶体结构，容易碎裂，不能像合金那样直接拉制成线材，为此，研究人员设计了许多巧妙的方法，终于制成了多芯超导线材和带材。

一种方法叫表面扩散法。在制铌三锡带材时，把铌制成薄带，让铌带通过熔化的锡池，在铌带表面镀上锡。加热到 950℃，在铌带表面由于铌、锡的原子互相扩散，发生反应，生成了铌锡超导体。再在两边焊上铜带，就制成了铌三锡超导线带材。制造铌三锡线材的方法很巧妙。先制成铜锡合金锭，在合金锭中开许多孔，插入铌棒，再进行压延、拉伸成细线，就形成了包含有上万根铌丝的铜锡合金线。这与制造铌钛合金线的情形相同，只是到这一步还没有得到超导组分，还需要在六百至八百度进行热处理，由于原子在高温下的热运动，包围着铌丝的锡原子与铌丝表面的铌原子结合形成铌三锡化合物，这样超导层就形成了。铜锡合金就是青铜，这种方法叫青铜法。

类似地，把钒棒插入铜镓合金，拉制成多芯线以后，再进行热处。在钒丝表面形成钒三镓超导层。这种方法用发明者的名字命名为太刀川法。

还有一种方法叫析出法，思路更为奇特一些。这种方法利用物质在快速冷却时形成非晶和非晶态易于加工的性质，先把铌三锗或钒三硅等超导化合物溶化，使溶体快速冷却，成为非晶态。把非晶态超导化合物分散到铜材中，拉制成线材，把线材加热再缓慢冷却，非晶态转变成结晶态。控制适当的结晶条件，超导化合物在铜线内形成极细的树枝状结晶，这些结晶交错重迭，形成超导通路。电子在导体内移动时有走捷径的习惯，总是从阻力小的路走，当超导线材在临界温度、临界磁场以下时，电子沿着这些树枝状结晶移动，当处在临界条件以上时，这些结晶失去超导性，电阻很大，电子就从晶体周

围的铜质部分通过，毫不损坏这些结晶超导体。析出法制成的线材性能很好，临界电流相当高。

用化合物超导材料制成的线材、带材可以产生 20 特斯拉的磁场，而且必须在液氦温度下工作，这是它的局限性。现在，陶瓷超导材料的临界温度达到 100K 以上。但同样面临易脆、难加工的问题，现在世界上许多实验室都在致力于超导材料的实用化工作，一旦取得突破，必将加速受控热核反应的实用化，为人类提供丰富的廉价能源。