追逐地球上的“太阳”
——核聚变研究状况及其新进展
中国科学院院士 王乃彦
目前人类的主要能源来自煤、石油、天然气和用于核裂变的铀，但这些化石燃料的蕴藏量都是有限的，而其中有些化石燃料是很有用的化工原料，作为能源燃烧掉也十分可惜，而且还造成对环境和生态的严重污染。因此，人类把最终解决能源问题的希望寄托于核聚变能——被科学家们誉为“地球上的太阳”。
聚变能是把两个质量轻的原子核(如氘、氚)聚合在一起释放出的能量，如太阳的能量和氢弹爆炸的能量；裂变能是重的原子核(如铀235、钚239)在中子作用下裂变成两个质量较轻的原子核时释放出的能量，如目前世界上核电站输出的能量和原子弹爆炸的能量。
人类梦寐以求的聚变能是一种清洁、安全和资源蕴藏极其巨大的能源。它不产生二氧化碳、二氧化硫及其它有毒害的气体和颗粒，与太阳能、水能、风能和地热能相比具有不受时间和地域的限制的优点，与核裂变能相比，由于不存在裂变反应堆中的后备反应性，因此不存在临界事故的危险。核聚变的燃料是氢的同位素氘和氚，在海水中每6500个氢原子中就有一个氘原子，在地球上含有1013吨左右的氘，可以说氘的蕴藏是极其巨大的，几乎是“取之不尽、用之不竭”的燃料。氚是放射性同位素，在自然界中天然的氚极其稀少，可以通过中子与锂-6原子核的作用或氘吸收中子而产生。聚变燃料的释能本领比裂变燃料要大好几倍，比化石燃料则大上百万倍。
核聚变固然具有许多优点，然而要实现聚变“点火”的条件是很高的，而且实现它的难度相当大。高温和满足劳逊判据是实现核聚变点火的条件。高温是使得原子核具有足够高的运动速度，以克服原子核之间的库仑位垒，实现核反应；劳逊判据的条件是参与核聚变反应的粒子数密度和能量约束时间之乘积必须达到一定值。1991年11月欧洲联合环(JET)进行了首次氘氚聚变实验，美国TFTR装置于1993年12月进行的氘氚聚变实验，其最高输出功率超过JET的结果达到了6.4兆瓦，并在1994年5月底的实验中达10.8兆瓦。
引人注目的是，1991年欧洲共同体、美国、日本、俄罗斯协议联合设计建造一个国际聚变实验堆(ITER)，预计在下世纪初投入运行，耗资约100亿美元。ITER每次放电持续时间约1000秒，聚变功率达1500兆瓦。该实验堆设计的特点是设备庞大，技术复杂，环形室的环面直径将达16米，环形室内的磁场由超导线圈所产生，它的建成对于开展全规模的聚变堆的技术及有关的材料研究无疑具有重要的意义。
然而国际聚变实验堆并不是未来商用聚变堆的原型，在它上面并不能有把握地实现连续运行。它虽然是迄今为止计划建造的最大托卡马克装置，但面临着技术和经费的困扰，因而科学家们正在寻求缩小规模、节省资金的替代方案。最主要的设想有下面几种：认为在科学家还没有完全掌握建造聚变堆的知识的情况下，不应该把装置建得过于庞大，应该具有一定的灵活性，这种想法主要在意大利的实验室中进行，他们已经在较强磁场的较小装置上成功地约束了热等离子体。由于国际聚变实验堆上等离子体约束性能并不十分理想，需要进一步提高，日本JT—60SU的超导装置的初步概念设计是探索先进的约束模式。也有人提出开发具有超级约束特性的全新磁结构，以实现比较经济的聚变堆。在磁约束聚变中除了托卡马克装置外，德国、日本都在建造大型的超导仿星器，在仿星器的实验中等离子体的约束性能及稳定性和相同规模的托卡马克装置上的结果相比都并不差。
核聚变的另一重要途径是惯性约束聚变。它的基本原理是在一个约为几个毫微秒的时间内，将能量约为几个兆焦耳的脉冲激光束、粒子束均匀地照射到氘、氚燃料的靶丸上，由靶丸表面物质的溶化、向外喷射而产生的向内的聚心的反冲力，将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温，并维持一定的约束时间，释放出大量的聚变能。以激光束为驱动器的惯性约束聚变称为激光核聚变。目前国际上最大的激光聚变装置是美国劳伦斯利弗莫尔实验室的NOVA装置，它有10束激光，在波长三倍频的情况下，输出激光的能量达40千焦耳，该实验室曾利用核爆情况下产生的强X射线间接驱动惯性约束聚变，取得了十分鼓舞人心的结果。美国计划花11亿美元建造一个国家点火装置(NIF)，它是钕玻璃激光器，输出激光能量为1.8兆焦耳，靶上激光脉冲功率峰值达5亿兆瓦，预计可以达到点火，计划在2003年左右建成。
我国核聚变研究在国际上具有先进水平，真正接近模拟堆芯等离子体的磁约束聚变装置。现在已建成的HL—1M和HT—7两套中等规模的托卡马克装置，分别建立在成都中国西南物理研究院和合肥中科院等离子体物理研究所。中国环流器新一号(HL—1M)除具有离子回旋共振加热、电子回旋共振加热手段外，还增加了中性束注入加热手段，配置了低混杂波电流驱动系统和多发弹丸注入系统。HT—7是一台超导磁体托卡马克装置，它的放电时间在第一阶段长脉冲状态可达5秒，在准稳态状态下可达60秒。在这两台托卡马克装置上都取得了重要的科研成果。目前HT—7u(HT—7升级)和具有良好性能偏泸器的HL—2装置正在建造。
我国激光惯性约束聚变的研究起步在国际上也是比较早的。在60年代即已进行用激光打氘冰靶出中子实验，以后主要在增大激光的能量和提高光束品质方面努力，到80年代神光Ⅰ装置问世。目前在上海高功率激光物理联合实验室正在建造神光Ⅱ，它有八路激光，总能量为6.4千兆，三倍频后的输出能量约3千兆。北京中国原子能科学研究院正在研究一台氟化氪准分子激光装置，用于研究短波长高功率激光和等离子体的相互作用。
当今世界，各国科学家正在积极研究和探索，追逐地球上的“太阳”，预计下世纪中叶核聚变能将开始投入商业应用。
(《人民日报》1998年12月1日)
神光II系统输出激光能量全面达标。脉宽1ns，八路总能量大于6000J，最大每束800J；能量平衡5%；光束质量优于3.5倍衍射极限；四束激光大能量穿380μm小孔，平均穿透率85%；器件经几个月运行，没发现激光介质损伤。
神光II装置首轮物理实验获得重大突破。首轮直接驱动内爆出中子物理实验于4月7日首发激光发射就获得2×109个中子产额；这一实验又重复数次，最高获得3.9×109个中子；这次理论、实验、器件、诊断和制靶研究水平的综合检验，标志着我国激光核聚变研究总体水平跨上一个新的台阶。
高功率激光发展相关的系列单元支撑技术，包括神光II、神光III装置所用的高质量大功率氙灯、大尺寸高质量磷酸盐激光玻璃和超高强度、超高性能的激光薄膜都通过了863-416专家组的阶段验收，获得高度评价，主要性能达到并部分超过国外先进水平。
惯性约束聚变是利用高功率的激光束或粒子束辐照聚变燃料，聚变燃料被压缩T高温高(5千万度以上)密度(600g/cm^3)发生聚变。由于这个过程与氢弹有相似T处，惯性约束聚变研究从一开始就是处于保密状态。也由于惯性约束聚变与氢有关，几个核大国在二十世纪60年代就开始了各自的研究。1994年，美国PLawrence Livermore National Laboratory解密了他们在90年代以前的实验结果。值得国人自豪的是，中国是开始这方面研究的最早的国家之一：已故杰出的核理学家王淦昌院士在1964年就提出了激光聚变的设想。然而限于中国的国力，尽管起步不晚，我们在这种大科学工程方面的研究不可避免地还是走在了别人的前面。中国进行惯性约束聚变的主要力量有两个：一是位于四川绵阳的中国工程T理研究院，另一个是位于上海的上海光学与精密机械研究所。目前，中国最大的激光聚变装置“神光II”号(8kJ/1ns/1μm/8束)就位于上海，另外一台小型的激光装置“星光II”(150J/1ns/0.35μm/1束)则位于绵阳。从装置的规模来看，我国要落后世界最高水平20年左右。尽管如此，中国人在激光聚变的很多领域，尤其是技术领域还是做出了很多值得称道的工作：如已故邓锡铭院士在1980年代初期发明的一种光束均匀化技术已经被国际认可，被称为“上海法”或“邓法” 山东大学生长出大口径的非线性光学晶体(KDP)；Nd玻璃的大批量生产，等等这些关键技术的突破，无疑为增强中国的综合国力做出了贡献。中国计划在绵阳建造更大的激光装置“神光III”，尽管它的规模比美国目前在建的NIF(National Igniton Facility)仍然要小许多，但通过“神光III”的建设中国必定会在大口径光学加工、大口径电子光学系统方面的技术力量和技术储T得到极大的加强，而且必然会带动一批相关产业的发展。
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