探索21世纪最理想的新能源——写在中科院等离子体所取得受控热核聚变量大突破之时，本文主要内容关键词为：热核论文,聚变论文,等离子体论文,之时论文,新能源论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
3月31日，中国科学院等离子体物理研究所在我国受控热核聚变实验中取得重大突破——获得超过一分钟的等离子体放电，使HT-7超导托卡马克装置成为继法国Tore-Supra装置之后世界上第二个能产生分钟量级的高温等离子体实验装置。这是中国科学家和工程技术人员智慧才华的展示，是中科院知识创新工程取得的又一丰硕成果！
由于世界上大多数托卡马克都是常规托卡马克，只能获得数秒量级的放电长度，等离子体所达到分钟级的放电意义十分重大。目前，法国Tore-Supra装置与中国HT-7超导托卡马克装置同时为世界上仅有的两个可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的国际合作平台。
当今世界上的能源如煤、石油等终有一天会因储量有限而不能满足人类的需要，因此一些发达国家都投入大量的人力物力去探索新能源——聚变能。核聚变就是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，永恒发光发热的太阳和具有巨大破坏力的氢弹能量都是来自于氘氚的核聚变反应。但是，太阳和氢弹的核聚变反应是无法控制的，因而人们一直在寻找一种能由人力控制的热核聚变反应技术——受控（可控）热核聚变，以解决能源的危机。如果有一天实现了受控热核聚变，就无异于获得了一个人造太阳！聚变的燃料可以从海水中提取，由于一公升海水中所含的氘通过聚变反应可释放出相当燃烧300公升汽油的能量，而且反应产物是无放射性的氦，因此，以开发聚变能为目标的受控热核聚变研究如果成功，就可为人类提供洁净安全廉价的、取之不尽用之不竭的新能源！
位于安徽省合肥市科学岛上的中国科学院等离子体物理研究所是国际上有影响的从事受控热核聚变的研究所。1978年成立以来，已发展成为我国重要的聚变能开发基地。1991年6月，李鹏同志亲临视察，为研究所题写了“研究核聚变，发展新能源”的题词。1998年9月，江泽民同志又视察了科学岛，参观了等离子体所的聚变研究装置，对我国的聚变发展战略进行了深入的调查研究，使等离子体所的广大科技人员深受鼓舞。
受控热核聚变的研究可分为两种途径——惯性约束和磁约束，等离子体所采用的是磁约束方法。磁约束就是利用强磁场能很好约束带电粒子这个特性，构造出一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，并在其中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。这个特殊的磁容器就是托卡马克装置。
托卡马克装置是前苏联科学家于上世纪60年代发明的一种核聚变物理实验装置。此后又有了一次重大突破，就是将超导技术成功地应用于托卡马克强磁场线圈上，建成了超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。1994年，等离子体所研制成功HT-7超导托卡马克装置，荣获了中科院科技进步一等奖。1995年，HT-7超导托卡马克装置投入运行，它的成功运行，使我国成为世界上继俄、日、法之后第四个拥有这种装置的国家。
HT-7超导托卡马克取得分钟级等离子体放电重大突破的实验是从2002年10月份开始，于2003年3月底结束的。实验必须每天24小时连续运行。各个子系统上的150多位科技人员和研究生团结协作，昼夜奋战在实验室。实验期间，来自欧、美、日、俄等国以及国内兄弟单位的数十位科学家对不同的课题进行了合作研究，并获得很好的实验结果。
科技人员以先进的运行模式、高参数稳态运行这两大对未来反应堆有重大意义的课题为主线进行攻关，在本轮实验中，获得许多原创性的新成果。在边界湍流研究中，第一次找到了影响等离子体约束和输运的带状流存在的直接实验证据，观察到了由电子漂移波驱动的电子温度梯度模，这些实验结果有可能对深入理解等离子体约束和输运这一物理难题产生重要的影响。
本轮实验还得到了部分重要参数：在中心等离子体密度大于每立方米2.2×10[19]条件下，最高电子温度超过5000万度；获得最长放电时间达到63.95秒；高温等离子体存在时间在世界各大装置中仅次于容积大于HT-7装置17.5倍的法国超导托卡马克Tore-Supra；高约束等离子体存在时间为220倍能量约束时间，远超过德国ASDEX装置在2002年刚刚获得的80倍能量约束时间的纪录，继续保持领先地位。这是目前世界各大装置近几年内很难达到的实验结果。这些成果再次表现，HT-7超导托卡马克成为继法国Tore-Supra装置之后，世界上仅有的两个可进行高参数稳态条件下等离子体物理研究的国际合作平台之一，在国际聚变界占有了更重要的地位。
等离子体所所长李建刚表示：成绩只能说明过去，我们会朝着更高的目标继续努力。实验一结束我们就总结了不足之处，现在正在改进装置。作为中科院重大创新贡献团队，我们有把握为院创新工程和中国的聚变事业做出更大的贡献。
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聚变能
核能是能源家族的新成员，它包括裂变能和聚变能两种主要形式。因为裂变需要的铀等重金属元素在地球上含最稀少，而且会产生长寿命的放射性的核废料，因而限制了裂变能的发展，聚变能就成了科学家们探索的新领域。
聚变能的第一步是要使燃料处于等离子体态，即进入物质第四态（固态、液态、气态、等离子体态）。等离子体是一种充分电离的、整体呈电中性的气体。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几千万度甚至几亿度时，原子核可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。等离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到10的22次方时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应而输入的功率，必须超过这一基本值，聚变反应才能自持进行。由于三重积的苛刻要求，受控核聚变的实现极其艰难，真正建造商用聚变堆要到21世纪中叶。作为21世纪理想的换代新能源，核聚变的研究和发展对中国和亚洲等能源需求巨大、化石燃料资源不足的发展中国家和地区有特别重要的战略意义。