唯一可获得价廉、清洁的聚变反应堆所需的燃料的地方，那就是月球

有朝一日人们将开发月球。人们将从月球开采一种宝贵的燃料，从而使聚变能源最终得以实现，这一天已是指日可待：不是500年后，而是下世纪初。名古屋国立聚变科学研究所的核技术教授桃田对此满怀信心。他认为 · 如利用月球的氦-3（—种地球上并不存在的物质）原料储备，将有可能建造起清洁、简单和便宜的聚变装置。这种装置甚至可用于驱动宇宙飞船，并可产生高能粒子射束用于治疗癌症。

目前全球正在建造的试验性聚变反应堆，都是应用由氢的两种同位素——氘和氚的等离子体组成的燃料。在异常的高温下，它们发生聚合，并产生强大的中子流。后者可加热围绕反应堆的套管中的水，产生水蒸汽，可用以驱动涡轮发电机，但当中子猛烈击穿反应堆壁时，使后者变脆并带上放射性。中子流还会使产生磁场（用以控制等离子体）的超导磁体发热，威胁聚变反应的完成。但很多研究工作者认为，所有这些难题都将在50年内得到解决，聚变能源将提供价廉的电力。桃田则比较谨慎，他说：“我知道，20年内还不可能使氘-氚聚变反应堆推向商业应用。

但如以氦-3代替氚，则情况就完全两样了，桃田解释道。当氘与氦-3聚合时，产生高能质子，而不是中子。质子带正电荷，这就意味着可以用磁场和电场使它们避开反应堆壁，并在强大的磁场中使之减速，从而迫使其能量直接转变为电能。

尽管该反应可像太阳一样产生能量，但要在地球上再现这一反应，一直存在着巨大的障碍。地球上没有天然的氦-3储备。美国每年生产少量——约20公斤——只是核武器生产的副产物，但单是一个全设计规模的氘一氦-3反应堆，就至少需要40公斤氦-3。

月球上的“海绵”

与地球相反，月球拥有非常丰富的氦-3，它储藏在钛矿层里。月球表面的这种金属矿就像海绵一样吸收着由太阳风从太空中吹送来的氦-3粒子。自月球形成40亿年来，钛矿约吸收了100万吨氦-3。它几乎全部分布在月球左边低洼地区表层3米内的土壤中。

1986年，威斯康星-墨迪逊大学的物理学家丁 · 圣坦留（Santarius）提出，用遥控挖掘机采掘富钛土，并用轨道镜把太阳光聚焦，把含钛土加热至700℃分离氦-3。在该温度下，85%以上的氦-3将气化，与氧、氢、氮和二氧化碳等其他气体一道逸出。然后把气体混含物冷却至只有氦仍保持气态为止，从而把它们分离，月球上的夜晚，温度骤降至零下100℃，该冷却过程是比较容易实现的。其余的气体本来就对人类移民有用，而氦则可将其输送至地球上。桃田说，最终，月球聚变燃料的成本可降低至每公斤10万美元——目前美国制取1公斤氦-3约需70万美元。

但在开始进行任何怀有极大雄心的月球开发作业前，桃田计划研究并完善可行的氦-3聚合装置的技术，这是一项十分艰巨的任务。桃田把拟议中的氦-3聚合装置命名为阿特米丝（希腊月亮女神名），该装置中心为一存储氦-3和氘核的等离子体的磁瓶。虽然等离子体被加热至足以引发聚变反应的高温——10亿摄氏度，但磁瓶可使等离子体不靠近反应堆壁。

要达到这一温度确非易事。试验性聚变反应堆虽然用强烈的粒子束加热氘-氚燃料，达到的温度不过才几亿摄氏度*。等离子体一旦变热，就得保持住该温度。原则上，聚变反应将产生足以维持其自身燃烧的能量。然而如损失的能量过多，聚变反应将自行终止。“谁也不了解这种等离子体的传导、对流或扰动的情况”桃田解释道。“过程是异常复杂的。”

众所周知，即使是今天能获得的等离子体，也是不稳定的。目前，物理工作者仅能使它维持零点几毫秒的时间。“它像风中残烛”，桃田说。对任何类型的工业聚变反应装置，等离子体至少得保持稳定若干秒钟。“需要保持稳定更长的时间，以便燃烧能成为自持过程”。他解释说。一个解决办法是扩大等离子区，但大的装置固然热量损失较少，并能提供更稳定的等离子体，然而成本就会增大。

一旦聚变反应在阿特米丝中开始，桃田的磁瓶可让高能质子沿磁力线方向在边缘逸出，而把能量稍低的核子捕集在磁瓶中央。磁力线把阿特米丝中的质子导向粒子减速装置——桃田称之为“一种逆向的直线粒子加速器。”带电粒子通过磁场调整速率，将其动能直接转变为电能。他估计高达76%的质子能量可转变为电能，而蒸汽涡轮发电机的最高效率仅为40%。聚变反应中产生的高能电子可用同样方法加以控制，其能量也可利用。

迄今为止，这种减速装置还未经试验。桃田正寻求合作者来协助制造和进行试验，他相信粒子物理工作者将乐于帮助他。这些科学家已经在建造巨大、昂贵的装置，以加速粒子达到非常高的能量。但每次关掉加速器时，必须把粒子束排入用来吸收巨大热冲击的固体石墨靶中。减速装置将可回收这一能量供下一步应用，从而使整个装置效率更高，运行更经济。

挤出能量

尽管减速装置可把大部分质子的能量转变为电能，但仍有一小部分能量不能被转换。质子离开减速装置时，一部分虽然不高但却值得注意的能量将流失。故阿特米丝将设一通用的蒸汽涡轮发电机以便从质子中把每一份能量全部挤出来。总起来，产生的功率约为1千兆瓦左右，大抵与目下的核反应堆相同。

阿特米丝将比预期采用得到提倡的托卡马克装置的氘-氚聚变反应堆小，托卡马克装置早在英国库尔哈姆（Culham）的欧洲联合托卡马克（JET）和世界其他各地进行过试验。阿特米丝将为150米左右长，10米宽，重约3000吨。桃田的助手登美田说：“约与一艘大的核潜艇相仿”。仅为全设计规模的氘-氚聚变反应堆重量的十分之一——处理的材料少，对于反应堆退役来说无疑是件好事。此外，反应堆的残余物的放射性也小得多。

一个通用的裂变反应堆排出的废料的放射性，比氘-氚聚变装置预期产生的要大10000倍，体积要大10倍。而桃田声称，预期阿特米丝不会产生强放射性的废料，而低放射性废料仅为氘-氚聚变反应堆产生的六分之一。

氦-3聚变装置还可提供另一些振奋人心的可能前景。桃田说，该装置产生的质子还将是治癌的宝贵医疗工具。由于质子的能量十分精确，可以把它们精确地聚焦到诸如很小的肿瘤上。另一个打算是借向后喷射质子把氦-3聚变装置用作宇宙飞船大功率的推进器。

实现桃田设想的形势又如何呢？国立聚变科学研究所一向以支持创新的大项目闻名。它目前正在名古屋近郊的土岐建造世界上最大的螺线形的聚变装置——环形托卡马克的一种变型。工程始于1990年，预计于1997年完工。它拥有200多名研究人员，每年预算约120亿日元（合1亿美元）。桃田已经着手与日本各地和美国的科学家共同研究阿特米丝的设计。

下一步就是赢得经费以制造一个带有直接换能器的小规模的氦-3装置，以检验他的若干设想。他估计，世界范围内每年用于聚变的预算约为10亿美元。他的样机仅需4000万美元，即可为商业氦-3聚变装置铺平道路。他相信，到2015年，人们多半即可开发月球。

那么月球上氦的储备够用多长时间呢？目前，全球电能消耗约为10000千兆瓦。1990年，联合国估计，到2050年，这一数字将上升至30000千兆瓦。桃田估计，每年有1500吨氦-3就可以生产这么多电能，因而月球上氦的储备足够用上700年。

再往后呢？桃田说：“木星和土星上有几乎用不完的氦-3储备可供开发”。

［New Scientist，1995年11月18日]

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* 译注:原文误为几百万度。