日前，中國科技大學(xué)宣布，我國首臺(tái)大型反場箍縮磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置（KTX）各系統(tǒng)的部件研制建造工作全面完成，進(jìn)入裝置的最后整體安裝調(diào)試階段。從核裂變到核聚變，科學(xué)家們始終在尋找最清潔的能源。
早在1942年12月2日，美國物理學(xué)家E·費(fèi)米在芝加哥大學(xué)校園內(nèi)一個(gè)球場上建成了世界第一個(gè)核反應(yīng)堆。由此，人類開創(chuàng)了釋放核能的新時(shí)代。1954年蘇聯(lián)建成了世界上第一座和平運(yùn)用的核電站——奧布林斯克核電站，開創(chuàng)了民用核電的先聲。六十年后的今天，核裂變發(fā)電以其穩(wěn)定高效、不產(chǎn)生溫室氣體等優(yōu)勢備受世人青睞。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)2011年1月公布的數(shù)據(jù)，全球正在運(yùn)行的核電機(jī)組共442個(gè)，核電發(fā)電量約占全球發(fā)電總量的16%。
現(xiàn)今普遍建造和使用的核反應(yīng)堆都是基于重核裂變的原理。重核裂變是用亞原子的粒子撞擊重原子（主要是鈾或钚原子）靶核，引起撞擊后的靶核分裂成一些碎片，其中包括兩三個(gè)中子。這些中子又會(huì)撞上其他的重原子，使之繼續(xù)分裂并釋放更多的中子。如果有足夠多的重原子在一個(gè)足夠小的空間中，那么這個(gè)過程就會(huì)滾雪球一般呈鏈?zhǔn)桨l(fā)生。以鈾235為例，經(jīng)過40個(gè)回合的鈾原子分裂，所釋放的能量可以把一個(gè)白熾燈泡點(diǎn)亮大約1秒鐘；80個(gè)回合（這僅是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開始后的瞬間）所釋放的能量將超過1萬噸TNT炸藥爆炸時(shí)的能量。
然而科學(xué)家們并不滿足。他們一直在考慮，能不能實(shí)現(xiàn)可控核聚變，讓我們能夠獲得源源不斷的清潔能源？一般情況下，帶正電的原子核是相互排斥的。倘若原子足夠熱，原子核運(yùn)動(dòng)的速度足夠快，那么即便原子核之間的庫侖力也無法阻止它們的撞擊。撞擊之后所形成的新原子要比撞擊之前兩個(gè)原子質(zhì)量之和小，撞擊過程中失蹤的那部分質(zhì)量將可轉(zhuǎn)化為能量。太陽內(nèi)氫、碳、氮等原子正是處于高溫等離子體狀態(tài)下，通過氫-氫循環(huán)和碳-氮循環(huán)進(jìn)行聚變反應(yīng)產(chǎn)生巨大能量。
所謂高溫等離子體，是指在高溫狀態(tài)下，原子被剝奪的外層電子及帶正電離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，被視為是除去固、液、氣外物質(zhì)存在的第四態(tài)。雖然掌握了核聚變的發(fā)生原理，但要人為地在地球上實(shí)現(xiàn)持續(xù)不斷的穩(wěn)定核聚變反應(yīng)還有一些亟待解決的問題。除要把原子加熱到太陽般甚至更高的溫度形成高溫等離子體之外，地球上也沒有如太陽的巨大引力，讓等離子體聚合在一起形成微妙的平衡臨界點(diǎn)上持續(xù)進(jìn)行聚變。
倘若把高溫等離子比作普羅米修斯盜取的“天火”，人類若想操控運(yùn)用“天火”，就必須把它裝在一個(gè)容器里，且維持不斷燃燒。這個(gè)道理正如同太陽用引力約束等離子體維持核聚變反應(yīng)一般。然而，核聚變等離子體溫度如此之高，任何實(shí)物容器都無法承受?？茖W(xué)家們知道帶電粒子在磁場下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)明了“環(huán)形磁籠”。“環(huán)形磁籠”就是利用圍成一圈的線圈通電所產(chǎn)生的強(qiáng)大環(huán)形磁場，將高溫等離子體裝起來。這就是所謂磁約束核聚變。在這種約束條件下，通過實(shí)現(xiàn)等離子體的點(diǎn)火和自持燃燒，以聚變產(chǎn)生的能量來維持聚變反應(yīng)，才能保證整個(gè)核聚變以受控的、持續(xù)的方式開展。
反場箍縮磁約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置的原理也是如此。據(jù)介紹，反場箍縮是有別于托卡馬克、仿星器位形的另一類環(huán)形磁約束聚變裝置，是先進(jìn)磁約束聚變位形探索研究的重要平臺(tái)。反場箍縮最重要的特點(diǎn)是約束等離子體的磁場是由等離子體內(nèi)部電流所產(chǎn)生，具有純歐姆加熱達(dá)到聚變點(diǎn)火條件、高質(zhì)量功率密度等優(yōu)勢，是未來磁約束反應(yīng)堆位形的候選方案。正在建設(shè)的KTX裝置大半徑1.4米，小半徑0.4米，磁場可達(dá)7千高斯，等離子體電流可達(dá)1兆安培，電子溫度可達(dá)600萬度，放電時(shí)間可達(dá)100毫秒。磁體系統(tǒng)由24個(gè)縱場線圈、26個(gè)歐姆場線圈、12個(gè)平衡場線圈以及136個(gè)反饋控制線圈組成，最大線圈直徑達(dá)7米。KTX裝置主機(jī)總體直徑8米，通高6米，總重量超過70噸。
國際上，集合了中、美、俄、日、韓、印度、歐盟等多國科技力量的“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”（ITER）正在研究建造中。當(dāng)今世界正處在通向受控核聚變能源應(yīng)用的路上。不久的將來，原型示范堆將實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。到那時(shí)候，人們將以更易得的燃料，獲得源源不斷的清潔能源。
（作者單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
