在太阳内部每秒钟有400万吨以上的氢参与核聚变反应，释放出巨大的能量，以光和热的形式到达我们这里。现在，在地球上正在试图重现这种为物理学定律所主宰的反应，为攻克迄今为止物理学所面临最困难的技术问题而进行努力。

不管如何困难，实现核聚变仍被人们重视，美国能源部专为开发研究而拨款建造了两座庞然大物似的实验装置：一座是设在普林斯顿（Princeton）大学的TFTR（托卡马克核聚变实验装置），安装在一座五层楼高、150英尺长和宽度超过100英尺的建筑物内，装置的磁铁绕组缠绕在巨大的环形支架上，跨度达30英尺；另一座是设在奥克兰附近劳伦斯 · 利物摩（Lawrence Livermore）国立实验室的MFTF（磁镜核聚变实验装置），它的外形是一个比波音747客机机身还大的钢制圆柱体，在其两端有“阴 - 阳”磁铁（事实上，是一个磁铁的两个磁极），高度达两层楼房，重量近400吨，设计这两座硕大无朋的实验装置的目的是使直径小于一万亿分之一厘米的原子核产生聚变反应。

由于这些巨大装置的存在，总使人们相信核聚变装置越大越好。今天，这一策略思想正受到麻省理工学院核聚变装置阿尔卡特（Alcator）C的挑战。如果说，利物摩的MFTF的体积是大于一架航空客机的话，则阿尔卡特却小于其中一台发动机。阿尔卡特的实验人员最近抢先比普林斯顿提前实现了核聚变的一项关键目标，而普林斯顿的TFT只要在几年后才能与之较量。此外，阿尔卡特的聚变项目负责人罗伯特 · 巴萨德（Robert Bussard）希望做得更好：计划制造出—种商用核聚变反应堆，体积小到甚至可用一台轻型卡车运走。

三十多年来，展望核聚变能源的美好前景，鼓舞了许多能源研究者。核聚变需用两种燃料——氢的重同位素氘和氚。氘可从海水中提取，所存在的量足供全世界使用上百亿年而耗用不竭。据前国会议员、七十年代众议院能源权威迈克 · 麦克柯尔马克（Mike McCormack）说：“核聚变能源的开发，将是人类控制用火以来最重要的能源事件。”

怎样才能点燃核聚变之火呢？核聚变意味着原子核融合在一起，当一个氘核接触一个氚核时，两个原子核就融合而释放能量。但氘、氚核都带有电荷，彼此间强有力地相互排斥。为克服这一排斥力，必须使原子核具有很大能量；换句话说，核必须极为灼热——处在摄氏一亿度的温度下。

实现核聚变必须攻克两大难题：首先要求物理学家产生出极高的温度；然后需要将扩散中的一小缕称为等离子体的灼热气体约束在某种容器内。目前还没有任何一种通常的容器能承担这一任务。必须不使等离子体与容器的壁相接触，否则热量会迅速地损失掉。但是在一亿度的高温下，等离子体可由磁场约束起来。要建造这样一个称为磁瓶的磁性容器来盛装等离子体可不是一件容易的事。三十年前，一位物理学家爱德华 · 特勒（Edward Teller）说过：“要试图用磁场来盛装等离子体就像想用橡胶皮带捆包一小滴果酱一样的困难。”

在过去的三十年间，物理学家追求的目标是试图约束等离子体达到劳森判据（Lawson criterion）的目标。所谓劳森判据是根据英国物理学家约翰 · 劳淼（John Lawson）之名命名的。判据要求等离子体的粒子密度和约束在磁场内的停留时间达到6 ×10¹³的劳森数。例如，粒子密度达到每立方厘米10¹⁴个粒子和约束时间长达0.6秒就算达到劳森判据，因为劳森数为此两数相乘而得。

在一亿度温度下，达到劳森判据的等离子体将产生聚变反应，所释放的能量适与加热供入的能量相等。这种状态称为收支相抵状态。如果等离子体约束得更好，即密度更高和约束在磁场内的时间更长，则释放出来的能量愈多而加热需要能量愈少。当劳森数达到3×10¹⁴时，等离子体自行“着火”，此时不需要外部加热用能量而专靠自己的核反应可继续保持灼热状态。

然而像特勒和其他人预见那样，要约束等离子体避免泄漏逃逸出磁场将是非常困难的。在1968年，苏联宣布：一台“托卡马克”（由俄文“环形磁腔”字头组成）核聚变实验装置获得实验结果劳森数5×10¹¹，大约比收支相抵所需值小100倍。即使如此，也使聚变研究前进了一大步。

到了七十年代，由于当时预测世界范围能源短缺，能源部将聚变研究用预算拨款增为10倍，并批准了建造TFTR和MFTF的计划。制定TFTR的结构可采用氚为燃料，因氚有放射性，操作需要有特殊装置。MFTF的设计则反映另一截然不同的方法；采用不是将等离子体约束在环形磁腔内的设计而是由所谓磁镜的装置进行实验。它能将逃逸的等离子体弹射返回到MFTF的一根长管型腔内，恰如镜子的反射一样。

这两座巨大的实验装置的磁铁设计也是不同的。TFTR采取常用的设计，在磁铁外缠绕铜线绕组，通过脉冲电流而产生磁场。相对说来，建造这种磁铁的造价并不太昂贵，但工作时需耗用很大的功率。而利物摩实验室（指MFTF）选用了超导体磁铁，它用液氦冷却，使绕组载有巨大的电流而很少电阻损耗。这样电费虽然省了，造价却极为昂贵。仅每个“阴阳”磁极需用超导体电磁线长达30多英里。每英尺造价为18美元。两个磁极的外壳各由厚达5英寸的不锈钢制作，需要一年半时间才能建成。

当装置建造完成后，开展实验工作是把人和设备都推向极限。普林斯顿等离子体物理学实验室实验部主任戴尔 · 米德（Dale Meade）说：“我们生活在一根头发丝的边缘上。这场游戏的命名就是推动参数、推动前沿。我们这帮人生活在极高压力的世界里。我们做的工作不是按星期计算，而是年复一年、无边无涯地干下去。”

实验中产生的许多问题来源于装置内极其严酷的条件。为了研究等离子体，研究人员采用了强大的激光器。这台激光器在其点燃的几十亿分之一秒时间内能输出瞬时功率等于整个纽约市耗电量的光能。在其近旁设有光传感器，却要求其对光时灵敏度比天文望远镜的感光板还高。当等离子体的温度为一亿度时，在相隔三至四英尺处却有用液氦冷却的激磁绕组，其温度为绝对温度4度。

这就不足令人引为奇怪的了，为什么聚变的研究工作进展得如此十分缓慢。1978年普林斯顿的研究人员使用了一台名唤PLT的托卡马克装置第一次达到了六千万度的高温——这是能进行核聚变的温度。当时欢呼为本世纪杰出的聚变成就。但是该实验中被加热的等离子体却是稀薄的；它的低密度计算出劳森数为3×10¹¹。要达到收支相抵的劳森数6 ×10¹³还存在极大的困难。在1982年后期，当时的指导思想是试图达到劳森判据（反映约束时间和密度），而不是TFTR装置计划在1986年要追求达到的必需的高温。

可是麻省理工学院的物理学家朗 · 帕克（Ron Harker）却有他另一套想法。他正在用一台小型紧凑的阿尔卡特C托卡马克装置执行他的聚变研究计划。他是“小本经营”的。他的办公室和实验室设在一群过去做过面包房和仓库的黄色砖砌建筑物内。帕克本人是一个有节制的人、性格幽默，善于嘲笑。他爱穿一件方格衬衣，戴一副钢丝框的眼镜。

1977年在帕克的指导下，早期形式的阿尔卡特装置达到劳森数3×10¹³，这是收支相抵数的半数。到了1982年，正当帕克完成一套改进装置即将进行开动的时候，他受到一个打击：能源部要削减他的项目拨款。

能源部的策略思想是将款项用在加速较大实验项目如TFTR的研究步伐。帕克说：“一项阿尔卡特的预算如果并入TFTR的话，大约仅足使它打个嗝而已”。幸而普林斯顿实验室主任汉诺尔德 · 弗斯（Hanold Furth）和其他几个研究单位所做一样，决定给予资助，以解除其困境。他给予的贡献最大，使麻省理工学院分享其拨款950万美元。这仍然比过去几年间获得的经费为少，但意味着帕克有可能继续前进了。

他所掌握的希望的钥匙是采用将聚变燃料注射至等离子体内的新技术。所有的核聚变反应堆都是连续进料、连续泄漏的。先燃料气体注射入灼热区内，急剧游离为等离子体，经短时约束在磁场内，然后泄漏出去，为新的燃料所替代。帕克的燃料注入技术是他们拥有专利的高超技术。通常的注入方法是把一小缕氘气喷入。帕克的方法是代之以使用一台叫做弹丸注入器的设备、该设备是橡树岭国立实验室航天工程师斯坦利 · 米洛拉（Stanley Milora）指导下研制成功的。

这台鞋盒大小的注射器有点像四枪管的大口径短筒小手枪。在枪的机构内部，冷却到接近绝对零度的氘液滴入一个盘的四个孔内，在此冷凝成为固体。所形成的四个微小的燃料丸，每个约等于针头那么大小。然后，使盘旋转，将四个丸对准朝向等离子体的四个枪管。当一个阀门释放时，吹入的氦气将丸射入温度达百千万度的等离子体的中心。这时弹丸犹如“地狱内滚来的雪球”。当它蒸发时，顿使等离子体的密度增加。这是试图获得高劳森数的关键所在。

当麻省理工学院的研究人员正准备在1983年春进行第一次实验时，一个问题突然发生了。有一批阿尔卡特装置的磁铁线圈因长时间使用而老化了。这就需要购买整套新的线圈。帕克进行招标，从洛杉矶一家小工厂得到低的10万美元投标。但是没有一个人了解这家工厂的信誉如何。恰巧帕克有一个同事曾在那家工厂定制过一些磁铁，因此就决定订货。隔一程时间后，他派两名工程师去查看一下情况。岂知他们看到后竟使他们大吃一惊。

帕克后来说：“他们看到的工厂是一个大的旧仓库，有蝙蝠飞来飞去，还有猫头鹰和野生物在那里作窝。看上去真有点像印第安纳琼斯电影出现的画面。”这家工厂是由破产法庭允许下营业的。但是他们做得并不坏；他们有正常的设备。当他们交货的线圈到达麻省理工学院时，发现做得很好。存在唯一的问题是有一对线圈脏了，必须返工重做。这对线圈中间夹杂有家畜的毛。

现在，帕克发现自己已从难关闯过来了。他渴望要在1983年11月美国物理学会召开年会之前开动装置用弹丸注射器进行实验；因该次年会是核聚变研究人员一次主要的会HS。到九月下旬，他们已用新线圈重建托卡马克，做好准备继续前进。可是两个星期后，他们又遇到一个问题。人们闻到有焦味从阿尔卡特内冒出，似乎有什么东西烧起来。

原来所有托卡马克都是绕着一个大电力变压器的周围建立的，从变压器感应电流加热等离子体并加以支持约束。当麻省理工学院的研究人员更换新线圈时，把中间的变压器芯也一起换成一个新的。现在发现这台新变压器并不正常工作；它的部分绝缘被击穿而烧起来了。幸好他们还有一台旧的变压器，可利用它的部分材料进行修理。柏克事后回忆说：“当时我们其高兴极了。我们继续干下去”。

到了星期三，即会议前的五天，他们准备发动一次巨大攻势。帕克亲自掌管阿尔卡特的控制盘。他坐在转椅上，调节盘上的整定值将实验开动起来。（他说：“每一个实验参加者都掌握一份操作”。）他使他的伙伴们一直工作到晚上八点，务必获得一个新的记录。第二天又继续干下去。一般认为获得的数据是好的，但是在分析数据以前，没有一个人敢对它做出肯定——他们只有也持干下去。大约到了星期四的下午五点，一次新的测试看来获得的数据是前所未有最好的一批。可是帕克仍认为不满足；他开始另一次测试，只听到震撼地板的砰砰作响的声音。每一个人都知道这是会议前最后一次实验了。最终实验结束，有等离子体物理专家史蒂夫 · 沃尔夫（Steve Wolfe）坐下来计算这些数据的劳森数。

只有一千八百万度

星期五的中午，即会议前的恰好三天，沃尔夫宣布他的结果：征服了8×10¹³。这是瞬时达到的值。但是麻省理工学院的研究者们没有证实发生真实的核聚变反应。他们仅加热等离子体到1800万度，这是相当低的水平。同时参与实验的工作介质只有氘等离子体；而氚是有放射性的，需要有一套特殊设备。虽然如此，帕克一伙已攻克核聚变问题的最困难部分。经过三十年的努力之后，物理学界现在可以宣称：等离子体已能被约束到足以产生聚变能的程度。

在阿尔卡特装置获得记录后的几个星期，普林斯顿的TFTR也获得自己的胜利。它的建造者运用一种理论能预示等离子体需要约束多长时间，而他们期望约束0.1秒。当他们进行实验时，TFTR证实能约束等离子体达三倍长的时间。等离子体的密度仍然较低。劳森数为8×10¹²。不过，等离子体约束已优于预期值。温度约达二千万度。这是一个胜利——意味着着火的目标或真正点燃聚变之火的时日一下子更为接近了。原计划TFTR的设计仅用于达到收支相抵的水平；要达到更为困难的“着火”的目标必须使用另一套未来设计的装置。但是，当普林斯顿的汉诺尔德，弗斯在另一个会议中宣读TFTR的实验结果时，他说，像TFTR那样大小的装置，只要把磁场改得更强大一点，就能达到“着火”的程度。

从其他地区也传来聚变研究的许多胜利捷报。所有这些实验，都把主要努力放在组装约束等离子体的磁瓶。但是，许多年来也有几个实验室的研究者正在探索另一种不同的方法，叫做惯性约束聚变（ICF）。该方法不采用磁场约束扩散气体而是将冻结的燃料包覆在砂粒大小的玻细球内。这种微粒球用强大集中的激光或类似装置发出的光束照射。当瞬时高能量聚焦于球的外层时，内层将被加热和压缩；在几万亿分之一秒的时间内，球的中心可达到恒星中心的条件。1984年五月中旬，阿尔布奎克（Albuquerque）的桑地亚（Sandia）国立实验室科学家们宣称他们已成功地将一束离子聚焦在一小点上，其集中的程度可达到驱动聚变的目标。另外，与MFTF相距仅半英里的另一批利物摩科学家们已研制成功唤作诺娃（Nova）的世界上最强大的激光器，计划在1985年初对ICF目标进行初次射击。

具有讽刺意味的是，正当聚变研究取得胜利的时候，它的未来命运却戏剧性地存在着问题。帕克的亲密伙伴之一劳伦斯 · 利德斯基（Lawrence Lidsky）在麻省理工学院技术评论杂志1983年10月号发表一篇文章发出挑战：“即使聚变研究计划造出了一种反应堆，没有人将会要它”。他警告说：“昂贵的核聚变反应堆会处在加入其他一些作为前车之鉴的所谓技术‘成果’如齐柏林飞艇、超音速客机和裂变增殖反应堆等行列中的危险，结果作出的是不需要和无用的东西”。照利德斯基的观点看来，如果造出的聚变反应堆是基于像普林斯顿和利物摩的庞然大物TFTR和MFTF的设计，那么它将会太昂贵、复杂和不可靠，以至于不适宜作为商用聚变能源。

要说利德斯基的论点已不是新的。有许多专家早已发表过他们的观点，说明聚变应如何发展。这些观点正好回答利德斯基所反对的各项论点。

有一个观点来自汉斯 · 贝思（Hans Bethe），他在三十年代因阐明恒星天体核反应的研究工作而荣获诺贝尔奖金，此项研究工作也为开始核聚变研究奠定理论基础。贝思同意基于TFTR与MFTF设计的聚变反应堆不能成功地用于发电的意见，但是他认为这不是他思想中重要的东西。他的重要意见是第一台聚变反应堆的正确作用应该是生产核燃料供应世界上现有的核反应堆。

另一条意见来自公共事业工业。旧金山太平洋煤气和电力公司的克林顿 · 阿希沃斯（Clinton Ashworth）说，电力公司当前不需要建造庞大而昂贵的聚变发电厂，而需要开始造小型的。

然后是非官方投资聚变公司INESCO主席罗伯特 · 巴萨德所提的途径。巴萨德原是能源部聚变规划处高级处长，他的观点击中了利德斯基意见的要害。巴萨德早已根据麻省理工学院的阿尔卡特C装置作出了设计详图，表明核聚变反应堆可以是小型的、廉价的和磨损后易于处理的。这套设计已命名为理加特隆（Riggatron）反应堆；取名系根据华盛顿市的理加（Riggs）国家银行，因为它给予INESCO一笔信贷支持了工作的开展。所设计的反应堆体现了麻省理工学院的布鲁诺 · 科比（Bruno Coppi）和原先在麻省理工学院工作过的卡尔 · 威格尔（Carl Weggel）的许多重要贡献。前者帮助过设计阿尔卡特托卡马克原机，后者是阿尔卡特C的磁场的设计者中的一个。

关键之所在是巴萨德具有高度紧凑核装置发明人身份的背景。所设计的装置的要害问题是如何移走巨量的热，这也正是巴萨德在五十年代赢得同行中声誉的研究领域。对他说来，设计理加特隆的困难问题无疑是一个实施热传导的问题，而不是核物理的问题。观点的转移使已萨德能设想出具有惊人地小的聚变反应堆的设计。在麻省理工学院的朗 · 帕克宣布他阿尔卡特C实验成功的同一次聚变年会中，INESCO的技术所长罗伯特 · 雅各布逊（Robert Jacobsen）展出了五种理加特隆实验装置设计，其中最大的一台不大于一辆小型汽车，而最小的一台可以放在一张桌子上。这五种装置中任一种如果成功的话，可以持续一个月发出二百万千瓦的电力，然后报废更换。与之对照的是，如果TFTR在1986年获得成功，它将能在两秒钟的爆发中产生三万千瓦电力。

直到1984年中期，仍然没有一个人敢肯定以上方案中究竟哪一个能显示出核聚变的未来趋向。1984年6月，美国参议院拨款委员会投票表决削减里根总统4.83亿美元聚变预算案中的四千三百万美元。据听证会中议院委员会申述，能源部长已早期证实核聚变在近四十年到五十年内将不会商业化。

还是不能用海水

今天，当聚变界正在夸耀其得来不易的成就时，我们发现这些成就仍然没有为以海水作燃料的商用发电厂打开大门。然而，他们已打开一个新的挑战的大门，它必然表明核聚变技术能够前进而成为一个辉煌的科学成就和确实服务于建造发电厂使人们乐于去购买和使用。

[Science Digest，198 J年11月]