科學(xué)現(xiàn)場：一場科學(xué)家的“造星運動”

全世界科學(xué)家都在等待那一刻。

上百條高強激光束同時“開箭”，射向一個由氘和氚兩種氫原子組成的“燃料球”靶件。

“中箭”的靶件將瞬間達(dá)到上億攝氏度的高溫，引發(fā)氘和氚初始的聚變反應(yīng)，產(chǎn)生熱能會維持接下來的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

如同燒柴一樣，火點著了，柴就會自行燃燒下去。

這場備受期待的“燃燒”可不是誰家的鍋爐灶臺，而是一臺代號為“W7-x”的 “仿星器”（Stellarator）。

作為核聚變反應(yīng)研究設(shè)備，它更為人知的名字是“人造太陽”。太陽的光和熱都從熱核聚變反應(yīng)而來，如果人類效仿這個原理，制造一個“可控”的“太陽”，就有望為解決地球能源危機找到新的出路。

此刻，W7-x正待在德國馬克斯·普朗克研究所（簡稱“馬普所”）的大型實驗室里，一邊接受最后的檢測，一邊等待德國核能源管理部門批準(zhǔn)它的下一步行動。

如果一切順利的話，就在本月內(nèi)，它將成為核聚變能量可控使用研究領(lǐng)域的一顆新星，照亮人類的能源出路。

這個身價10億歐元的“高富帥”能耐得住1.5億攝氏度高溫

在德國東北部城市格賴夫斯瓦爾德，W7-x靜靜趴在實驗室一角。

它高3.5米、寬約16米，看起來像個扭來扭去的大圓環(huán)，銀色的表面坑坑洼洼，布滿大小不一、各種形狀的元器件。

這位“高富帥”身價10億歐元，內(nèi)部有20個平面磁線圈和50個非平面磁線圈。

馬普所的工作人員投入了19年、110萬個工時，到2014年5月才完成了它的建設(shè)。超級計算機給它用上了有史以來最復(fù)雜的工程模型之一，連焊接都由激光掃描檢測，組裝精度達(dá)到毫米級。

費這么老大勁，是因為 W7-x必須扛住極高的溫度和極大的壓力，這些正是核聚變反應(yīng)條件。

核聚變原理并不復(fù)雜：當(dāng)兩個質(zhì)量較輕的原子核聚合為一個較重的新原子核時，大量電子和中子能夠逃離原子核的束縛，帶來巨大能量。自然界中最容易實現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素——氘與氚的聚變。

實現(xiàn)這個原理則需要高溫與高壓，才能讓兩個原子核相互吸引而碰撞。

這活兒太陽自個兒就能搞定。它的中心溫度高達(dá)2000萬攝氏度，自身重力強大，能形成高壓狀態(tài)，使核聚變得以發(fā)生并持續(xù)?？梢诘厍蛏夏M太陽，由于引力太小、壓力不夠，核聚變需要在超過1億攝氏度的溫度下才能進(jìn)行。

在這個溫度下，任何固體材料都將被熔毀，但超導(dǎo)磁線圈會用磁場形成“籠子”，讓可怕的“猛獸”——高溫等離子體在有限體積內(nèi)運行，完全不與“人造太陽”的腔壁接觸。根據(jù)設(shè)計方案，W7-x能耐得住1.5億攝氏度高溫，長達(dá)30分鐘。

身為目前全世界最大、“版本”最新的仿星器，W7-x被研究人員寄予厚望——實現(xiàn)核聚變能量的可控使用。

人類對于核聚變能量的使用，是從“不可控”開始的。

第二次世界大戰(zhàn)期間，美蘇加快對核武器的研制。1945年爆炸的首顆原子彈采用了核裂變原理，不到10年，應(yīng)用核聚變的第一顆氫彈也爆炸了。

這種能量的瞬間釋放會造成極大的破壞，只能應(yīng)用于戰(zhàn)爭。讓核能釋放長期、持續(xù)、安全、和平地進(jìn)行，關(guān)鍵就在于核反應(yīng)的可控性。

直到1985年冷戰(zhàn)末期，美蘇元首才共同發(fā)表一份不包含任何實際承諾的聯(lián)合聲明，結(jié)尾表示“在核聚變能方面進(jìn)行最廣泛的切實可行的國際合作”，用核聚變?yōu)槿祟愒旄！?/p>

核裂變的可控性在“曼哈頓計劃”時代已經(jīng)解決。1954年，蘇聯(lián)就建成了第一個核電站。

而從不可控的氫彈爆炸到可控的核聚變能源利用，注定要走一條很漫長的道路。

核聚變產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)在化石能源與核裂變反應(yīng)之上，且清潔安全

“核聚變讓人著迷。”為“國際熱核實驗反應(yīng)堆”項目協(xié)調(diào)奔走多年的韓國科學(xué)家李秀景說，“就像中世紀(jì)的人們追尋煉金術(shù)一般，它是能源研究的‘圣杯’。”

地球上的能源危機早已出現(xiàn)。人口增加、工業(yè)發(fā)展等壓力使能源消耗更加迅速。幾乎所有國家的發(fā)展都依賴煤、石油、天然氣等化石能源，而其燃燒引發(fā)的溫室效應(yīng)、酸雨現(xiàn)象又對人類生存環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。經(jīng)過長期開采，化石資源日趨枯竭。

人們拼命尋找替代能源，并越來越重視核能的應(yīng)用。當(dāng)前，核電站或核能發(fā)電廠的能量來源是核裂變，其能量產(chǎn)生過程與核聚變相反。

1千克鈾-238全部核裂變將產(chǎn)生2萬兆瓦小時的能量，與燃燒至少200萬千克煤釋放的能量一樣多。

但核裂變利用有幾個弊病——原料稀有、資源有限；產(chǎn)生放射性元素、廢料無法安全處理；最可怕的就是可能產(chǎn)生核泄漏。不少國家現(xiàn)在已經(jīng)著手限制和縮減核電站。

前美國能源部首席科學(xué)家雷蒙德·奧巴赫曾表示，自己對世界未來的能源需求感到驚恐：“從哪兒弄這么多能源？”

在研究者眼中，核聚變是滿足世界能源需求的唯一希望，是一顆能源新星。

據(jù)計算，1千克氫燃料經(jīng)過聚變反應(yīng)，至少可以抵得上4千克鈾燃料或1000萬千克優(yōu)質(zhì)煤燃料。

比起稀少的核裂變原料，每升海水中就含有0.03克氘，總計45萬億噸。它們都聚變的話，能保證人類上百億年的能源消耗。

無論反應(yīng)前后，核聚變需要的和產(chǎn)生的都是無害元素，清潔安全。氘的提取方法也比較簡便，成本較低。

“核聚變不會釋放二氧化碳，基本上取之不盡用之不竭，還不會對環(huán)境造成影響……你還能找到比它強的嗎？”雷蒙德·奧巴赫說。

只要將氘、氚原子注入反應(yīng)堆密封裝置，再進(jìn)行“點火”，經(jīng)過一段時間，核聚變產(chǎn)生的溫度就足夠令原子核繼續(xù)發(fā)生聚變。在這個過程中，只要氦原子核和中子被及時排除，輸入新的氘氚混合氣，核聚變就能持續(xù)下去。產(chǎn)生的能量一小部分留在反應(yīng)體內(nèi)，維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，大部分可以輸出，作為能源來使用。

這幅和諧的畫面始終吸引著各國科學(xué)家。盡管質(zhì)疑者們常常開玩笑說，這項奇跡永遠(yuǎn)都是“還要再等30年”，但支持者們堅信，人類離這樣一個清潔而且?guī)缀跏菬o限的能源已經(jīng)越來越近。

在艱難的準(zhǔn)備工作后，“人造太陽”終于完美通過檢測，等待點火

在近乎完美的理論架構(gòu)之下，可控核聚變的實際研究進(jìn)程經(jīng)歷了難以想象的坎坷艱難。

在得到世人矚目之前，W7-x的星路并不平坦。

目前，最常見的核聚變反應(yīng)堆設(shè)備并不是W7-x所代表的仿星體，而是與它十分相似的兄弟——托卡馬克（Tokamak），同屬“國際熱核實驗反應(yīng)堆”項目。

項目設(shè)立之初，美國、蘇聯(lián)、日本和歐洲共同參與，體量龐大，運用了當(dāng)時最先進(jìn)的技術(shù)。在之后的幾十年里，盡管成本翻倍、設(shè)備制造協(xié)作不暢、完工日期一拖再拖，但科學(xué)家們還是往前走了一大截。

然而，比起W7-x，托卡馬克裝置設(shè)計存在一些安全風(fēng)險，有可能釋放強大的磁場力擊毀整個反應(yīng)堆。這樣的缺陷即使在最新露臉的類球形托卡馬克設(shè)計中依然存在。

有人認(rèn)為，托卡馬克能夠檢驗核聚變是否可行，但它不能證明核聚變是否可以商業(yè)化運行。它在實驗中運行良好，但電站需要的是簡單、易維護(hù)。英國原子能管理局首席執(zhí)行官史蒂文·考利就曾表示，“無法想象一臺到處叮叮咣咣的機器怎么能日復(fù)一日穩(wěn)定工作。”

在科學(xué)家們?yōu)橥锌R克的瓶頸發(fā)愁時，仿星體W7-x以一匹黑馬的姿態(tài)出現(xiàn)在人們的視野中。

首個仿星器于1951年在普林斯頓大學(xué)建造，從根本上避免了托卡馬克的問題：磁場完全來自外部線圈，沒有會突然中斷的等離子體電流。但受限于當(dāng)時的技術(shù)，仿星器對粒子的有效約束遠(yuǎn)不如托卡馬克。因此，從上世紀(jì)70年代開始，大多數(shù)核聚變研究都聚焦于后者。

2014年5月，在經(jīng)歷了險遭取消、預(yù)算上調(diào)等重重波折后，W7-x宣告完工。作為一顆“優(yōu)化升級”的“新星”，從理論上講，它可以在增添安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，達(dá)到前輩所具有的一切性能表現(xiàn)。

在過去一年內(nèi)，這顆“小太陽”在各種調(diào)試檢測中都表現(xiàn)良好。今年7月，它還早于原計劃進(jìn)行了磁場的電子束測試。負(fù)責(zé)這項工作的馬普所科學(xué)家表示，一切完美而精確。

    真正的最終檢驗是點火那一刻?？茖W(xué)家們期待，這顆新星的“燃燒”能照亮他們未來的研究進(jìn)程。 

在探索核聚變可控的道路上，這個萬眾矚目的時刻也注定只是一簇火花。未來，它還要滿足人們“民用化、小型化和經(jīng)濟型”的期待。

有人說，幾十年來的嘗試充分說明核聚變是一條死胡同，付出心血的科學(xué)家們卻依然堅定。

“我是搞技術(shù)的，只關(guān)注技術(shù)方面的事情，只考慮需要做些什么讓它在未來發(fā)揮作用。我不會去說花了幾十年才走到這一步。”斯蒂文·考利說，“要知道，人類整整用了3000年才會飛。”（陳軼男）