——从原子核聚变中获取能量的技术，可能在下世纪中叶得到广泛应用

本世纪30年代，当科学家们开始懂得太阳及其他恒星由原子核聚变提供能量后，他们的想法就转向重视这种过程，起先当然在实验室中进行，最终则是工业上的应用，由于核聚变能够通过原子反应将普通的水变成燃料，使河流发电的过程能够保证足够的电力，到21世纪中叶，我们的孙辈将能享受该诱人前景的实惠。

太阳利用它强大的引力将原子核压缩到高密度，此外，太阳内部的温度特别高，由此带有正电的原子核将具足够能量克服其间静电斥力，进而吸引到足够近的距离以产生核聚变，如此过程在地球上并不易于发生，最易于发生核聚变反应的粒子是氘核D（D，是较氢核多携一额外中子的氢的同位素）和氚核T（T，则较氢多携两个额外中子），为了聚变D和T，科学家们将氩气大大地加热并约束之使保持其状态达每立方厘米超过10¹⁴秒，从本世纪50年代开始的核聚变研究可以从两条途径达到如上数量级 :惯性约束和磁性约束。

第一种方案即惯性约束，是将一组强大的激光束对称阵列，投射到内装D-T混合物的一个球状胶丸上，辐射使小胶丸的外表层蒸发进而向外爆炸，与此同时，为使动量守恒，装有D-T燃料的内层小球向内发射，虽然燃料在极短时间——小于10^-10秒——得到压缩，但其密度一下子就达到每立方厘米10²⁵个粒子，这种核聚变实验在劳伦斯利弗莫尔实验室的新型激光器内进行。

对于更强大能量的激光，压缩密度则更高，而且有更多的燃料被点燃。一种未来的装置，其设计及经费最终于1996年经美国国会批准的国家点火装置，将成为192束激光在数百万分之一秒内达到1.8×10⁶焦耳（18万焦耳）能量的新技术的特征。如果运行正常，利用该装置进行的核聚变将比引进胶丸内爆所释放的能量大得多，法国正计划在波尔多附近建立一个类似的激光点火装置。

磁 场

多磁体核聚变装置——其中有星状加速器，等离子线柱和托卡马克——来约束热离子化气体或等离子体，其约束手段不依赖物质墙而依靠磁场，最成功和高度发展的这种装置是托卡马克，该装置在本世纪50年代由莫斯科大学的伊戈尔 · 塔姆（Igor Y. Tamm）及安德烈 · 萨哈罗夫（Andrei D. Sakharov）提案，在托卡马克装置中，电流流经按炸面包圈形小室圆周排列的线圈，该电流与另一电流协同运作，后者穿过等离子体以产生围绕环形线圈螺线型运动的磁场。带电的原子核及其伴随的电子云沿着磁力线运动，该装置能够在大约一秒钟内每立方厘米约束10¹⁴个燃料粒子。

但是气体也需要加热，如果它进行核聚变的话：电阻提供的一些热量转移到流经等离子体的电流，但要实现核聚变必须提供更强大的热量，一种详加考察的托卡马克方案是利用类似于微波炉中所使用的无线电波频率；另一种通常的方法则是向等离子体内注入大能量的D或T核束，这种束流有助于使原子核的温度高于电子的温度，因为这种束流本身就是参与核聚变的原子核，适当的加热因之是更高效的（该方案与早期的实验有所不同，那些实验模仿太阳，尝试着使原子核的温度与电子温度基本相同）。

1994年在普林斯顿大学的托卡马克核聚变试验反应器（TFTR）中，利用如此的“热离子模式”产生了高于10000千瓦的核聚变能量，虽然该能量仅持续了半分钟，但所获得的能量密度、温度和压力是可与商用发电厂所需要的比拟，1996年，在英国科拉姆的联合欧洲环（JET），下一个操作期内，实验科学家们可能接近一个新的突破：将产生与等离子体所吸收的同样多的能量，在日本纳卡，利用JT-60U实验装置，科学家们正在发展更高能量的注入式设备。

除了保持等离子发热而外，人们面临的另一个挑战是万一原子核轰击约束墙，如何连续地清除轰击效应中产生的污染原子，一些托卡马克具有附加的磁性线圈，其作用是允许等离子体的外沿转移到烤面包圈形小室内，污染物伴随一些能量的逸出被萃取出来，该系统在今日实验中运行得很完美——这些系统最多可以将等离子体约束几分钟 · 但该系统则不能满足具商业价值的动力发电厂，这些发电厂以持续几小时或几天的脉冲方式产生兆瓦的电力，JET和圣地亚哥DⅡ-D托卡马克的研究者们正致力克服该难题。

最近，在我们力所能及的范围内，正建造和运作一个托卡马克装置，该装置可维持一稳态的核聚变等离子体、维持时间不再是几分之一秒而是几千秒，由欧盟、日本、俄联邦和美国携手建设的国际热核实验反应装置（ITER），正热衷于实现这个计划，ITER可望建成一巨型机器，它具有主直径16米的等离子体，以超导线圈、氚饲式（即将氚注入等离子体的形式）和遥控支持式为其特征，目前的清单需要在1998年完成的蓝皮书中反映出来，根据此份蓝皮书，参与其事的政府们将决定其自身是否进行该项建设。

展 望

当ITER为国际间合作提供可贵机会时，其建设也可能会延迟，在此期间，TFTR及世界上其他大型托卡马克的实验家们打算根本性地建造一些更小型以及更便宜的反应器，很可能这种考虑会影响ITER的设计蓝图、这些建议一是采用复合并缠绕的等离子体以大大减少热量损失，因为通常围绕环形线圈的磁场在等离子体中的附近具有较厉害的扭曲。如采用复合缠绕的等离子体取代其中心附近扭曲度的降低，等离子体本身将会减少突变因之允许其保持更高的压强。伴随理论的解析的计算机模拟，实验手段将大大增强我们自身的能力以控制这种过程。

今后25年中有关核聚变进展的课题是更好地利用其副产品。在一自稳反应中，由核聚变产生的能量将导致热散失：80%的核聚变能被中子带走，其原因是中子呈电中性，它将穿过电磁场漏失，但中子终将被约束等离子的容器外壁所俘获，它们以热的形式将携带的能量交给外壁，这些热量则用来制造蒸汽，所产生的蒸汽驱动机器被用来发电，剩余的20%能量产生核聚反应的另一副产品，亦即α粒子，其组分为2个质子加两个中子，它们束缚在一起构成原子核。由于携带正电荷，α粒子将被磁场俘获。

α粒子在等离子体内碰撞，并使电子加热，通过与电子的碰撞，燃料的原子核间接被加热。普林斯顿大学的纳塔奈尔 · 费雪（Nathaniel J. Fisch）和巴黎大学的让 · 马塞尔 · 拉克斯（Jeam-Marcel Rax）在1992年建议：与其将有用功浪费在电子上，倒不如借助α粒子的放大作用，将一些特定的波注入等离子体，直接通过隧穿作用将这些能量传递给原子核，因此在燃料中能量的富集能够使燃料能量密度成倍增长，作为燃烧副产品而产生的核子能够作为其他用途。按照这种观点，我们可以得到关于燃料近期前景的一种暗示：18世纪的英国，因为马儿拒绝走进煤矿，工业革命因此爆发，第一批动力机械聚集在一起，恰恰不是给汽车或飞机增加动力，而是从矿井中将煤给拖曳出来，加州大学洛杉矶分校的约翰 · 道森（John M. Dawson）提出，在今后20~30年间，当核聚变计划已达到大规模生产能量时，它们能够提供另外一些便利：例如，作为核聚变反应的副产品——质子——可以转化为正电子，而这些粒子可作医疗用途，应用于正电子发射的层状分析摄影仪扫描中。在这种专门应用领域，等离子体物理中大量新奇的设想应该得到发掘，它们最终对核聚变反应器的未来产生一个明晰的前景。从现在开始的50年间，工程师应该有能力建造世界上第一个核聚变能工业规模的工厂。虽然这种设想与目前的现实相距甚远，其前景却与50~100年以后的规划相一致，在不太久远的将来，化石（例如煤）能量也许将被取代。

[Scientific American，1995年9月]