新泽西州的普林斯顿至太阳中心的距离是遥远的，但这却是担任普林斯顿等离子物理实验室主任已一年的哈罗德P. 弗思（Harold P. Furth）准备登程的旅途。该实验室主任正打算协同美国、西欧、苏联、日本和中国一起，探索在地球上再现太阳中心的各种条件，以便用核聚变方法产生像太阳所能发出的热量。

聚变是使太阳和其它星球发光的基本机理。太阳内部的温度为14×10⁶℃，在此高温条件下，太阳的核粒子熔解，释放出巨大的能量。

聚变也是地球上威力最大的武器——氢弹的主要机理。几乎在设想氢弹的同时，美国和其他国家的许多设计师和科学家就想控制核聚变，以便用于非军事目的——学会在接近太阳温度的条件下加热核粒子、约束和控制核粒子，以将它们产生的能量用于和平事业。这是一项艰苦卓绝的使命。

从开始工作至今已三十多年了，看来，这些聚变科学家的确是成功的。特别是近三年来，在普林斯顿取得研究成果后，似乎清楚地看到，核聚变终究将解决世界的主要能源问题——发电，而且它们所引起的环境污染是允许的。但这并不意味着，未来的核聚变发电站没有危害，但核聚变发电站的危害比目前的核电站的危害要小得多，也更便于处理。核电站采用的是核裂变原理——原子核发生裂变，而不是聚变。在裂变过程中会产生大量的放射性物质。因而建造和使用核电站，确保其安全，需要付出很大的代价，而且存放它们产生的放射性废物也不是一个简单的问题。因此，除了已经在建的以外，美'国目前已不再设计新的核裂变电站。

受控核聚变有较强的吸引力，但进展却是缓慢而艰难的。这可从1980年会议上通过的一项“磁聚变能量工程”决议案中看出。为使这项工程的研究和试制工作逐步过渡到实用阶段，需要200亿美元的投资，而达到实用阶段，这在2000年以前是难以实现的。在该项决议案通过的前两年，即1978年，科学家就已能产生7×10⁷℃的高温，这一高温足以引起核聚变，但还不能产生实用所需的足够的聚变量。然而，去年普林斯顿的研究人员经过大量周密而艰难的实验，获得的聚变量比以前在受控实验中产生的大了几倍。

因为达到目标终点还需经过漫长的里程，所以尚未公开这一成就。但是，它向世界上从事这一研究的物理学家和科学家显示，他们的前途是光明的。从某种意义上说，我们已经达到聚变时代的起点。

弗思的实验室目前雇佣1250人，工作预算为七千五百万美元（占普林斯顿大学总预算的三分之一）。1950年初在哈佛大学毕业时，弗思博士对物理学的磁学现象，特别对那些能产生强磁场的器件最感兴趣。1956年，他受爱德华 · 特勒（Edward TeIler）雇佣，在靠近旧金山的劳伦斯 · 利弗莫尔实验室工作，将其兴趣倾注在聚变上。工作中实际碰到的问题是要长期保持极热的带电气体，以便使气体的原子核碰撞。关键是利用强磁场，但是要产生很强的磁场证明是困难的。离开磁场，粒子就摇摆不定。爱德华 · 特勒曾经说：约束带电气体就像“用橡皮带捆果酱”似的，“果酱”就是热气体，而“橡皮带”就是磁力线。

特勒博士本人也曾是等离子物理学家弗思在诗中隐喻描写的对象。弗思早期的著作之一不是科学论文，而是发表在纽约时报上的一首诗。大学时代的弗思在物理学研究和创作之间徘徊。他读过一本特勒关于反物质的演说集，使他产生灵感，而写了一首题为《当今人生的危险》的诗歌，诗是这样开始的：

在对流层外的顶端，

有一座星光灿烂的宫殿，

在那反物质的狭路上，

走着反特勒的爱德华博士。

诗中接着写了特勒博士与反特勒博士意外邂逅的情景：

他们的右手紧握……

左手是伽马射线。

特勒对诗中某些非礼的语句并没有生气。当时他正准备出版一本关于受控核聚变的教科书，而弗思还写了其中的一章。

等离子物理学家认为，在超过10000℃的温度条件下，所有物质都呈现等离子状态：原子核周围带负电的轻粒子——电子会脱离原子核，释放的自由电子气伴随着带正电的核气。

今天的受控聚变基本概念与第二次世界大战期间提出的利用等离子状态时的概念相同。由于等离子体由带电的粒子组成，所以等离子体可由磁场导向。取氘和氚气这两种轻元素，将其加热到10×10⁷℃以上。由于它们的密度远远低于太阳的等离子体；所以必须在比太阳的14×10⁶℃高得多的温度条件下给这些元素加热。如果在此高温条件下这些新形成的等离子体因磁力作用被紧密地约束在一起，那么它们的原子核将互相撞碎、熔解，形成新元素氦以及一个自由中子。从每个碰撞的原子核中都会释放一个自由中子（氘的原子核包含一个带正电的质子和一个中子，而中子不带电；氚的原子核包括一个质子和两个中子。当这两个原子核熔化时，就变成单一的氦原子核，它包含两个质子和两个中子。在此过程中，将从原来的一组原子核中失掉一个中子）。

根据爱因斯坦方程E=mc²，即能量等于质量乘以光速的平方（式中的质量实际上指失去的质量），所以，释放出的巨大能量的绝大部分都是由中子带走的能量。在氘和氚变为氦的反应过程中，将失掉原质量的0.4%。这种变化看起来似乎很小，但是要乘以光速的平方时，就很明显，将会释放巨大的能量。

例如，若熔化一克（即约0.002磅）氘，释放的能量就相当于燃烧两吨石油所产生的能量。一加仑普通的水中含有大量的氘——也称为重氢，如果成功地把它作为聚变燃料，那么它产生的能量就相当于300加仑汽油产生的能量。遗憾的是，聚变燃料只能在相当于太阳中心的条件下才能燃烧。

目前，在普林斯顿所用的主要高温聚变装置是极向分流实验设备，或者称为P. D. X，它位于距普林斯顿大学中心约5英里的詹姆斯 · 福雷斯特尔校园内的一座不大引人注目的建筑物里。附近正在兴建第二代聚变装置——托卡马克**聚变试验反应堆，造价三亿一千四百万美元，准备年底投入使用。在工地的大工棚内和P-D. X等离子炉区域内即将进行另一种能量实验。这里，科学家们试图用冬天的小冰山钻上孔穴并罩上塑性绝缘材料作为空调设备。这种设想的依据是，在受控状态下，冰在夏天将会融化以产生长期的空调能力。上面这两种技术复杂的方案代表了两个极端、它们都使用同样的用之不尽的原材料——水，但是却采用极不相同的方法。

进入福雷斯特尔实验室的人必须经过特许、并佩戴一枚辐射探测章。沿着弯曲的走廊（经过计算机中心，门外有一块牌子，上写：“人可能会弄错；出现故障时需要的是计算机”）可进入P. D. X控制室。

大约有七十五位科学家和技术人员控制着P. D. X。P. D. X位于机库式的实验大厅内，其中有几台高高的吊车。装置的周围是20英尺高、2英尺厚的混凝土墙，以便在操作时防止高能中子并阻止低强度X射线从反应堆中外泄。

实验开始时，控制室发出连续不断的告警信号，表示混凝土墙后面电流已通过装置的线圈产生磁场。告警后，在控制室内可听到蜂鸣声和喀啦声。弗思说，当注入氘和氢的冷混合物，开始加热时，就出现这两种响声。

研究人员在P. D. X控制室内外来回不停地走动，检查各种检测装置。看起来比控制新型飞机仪表并不复杂多少，不同的是，P. D. X装置有几个闭路电视屏和计算机显示器，但是给出的读数极为复杂。例如，科学家可利用激光束“温度计”，通过P. D. X的窗口射出激光束，以测定P. D. X内部的温度。激光束使电子在等离子区内回弹，以测量电子的速度，并根据电子的“运动”速度确定它们的温度（通过汽笛音调的变化测量运行列车速度所用的装置的工作原理也是大致相同的，都是利用所谓多普勒效应）。

普林斯顿的P. D. X是一种非常先进的托卡马克式聚变反应堆。

1958年以前，美苏两国的裂变方案都是机密的，这部分的工作人员对另一部分的工作毫无所知。但是，1958年艾森豪威尔政府同意对全部受控聚变计划解密，并在第二届和平利用原子能国际会议上公布。结果表明美苏两国的裂变研究工作处于几乎相同的阶段。

在有价值的文献中，两位未来的诺贝尔奖金获得者安德烈. D · 萨哈罗夫（Andrei D. Sakharov）和I. 塔姆（Igor Tamm）于1950年合写的论文是一篇有预见性的、影响极为深远的文献。

托卡马克的基本概念也是萨哈罗夫和塔姆提出的。缩写字表示，要将热等离子体约束在中空的环形容器内。电流通过绕在环形容器上的线圈；以在容器内产生磁力线，或称“环形磁场”。气体被约束在磁场中，但很快热粒子开始切割磁力线，并撞击环形容器的冷壁，从而失去热量。

萨哈罗夫在1950年的论文中曾提出研究人员可利用的一种概念，即受热等离子体是一种电的良导体。在10×10⁷℃高温条件下，它的导电性比铜约高30倍。因此，萨哈罗夫认为，流经环形容器和穿过等离子的电流所感生的电流可形成第二个磁场。它与第一个磁场垂直（若将环形容器平放在倒置陀螺上，并垂向地切开环形容器，那么第二个磁场，即极向场的磁力线就位于垂直切平面上，而环形场的磁力线则位于平行于倒置陀螺的水平面上）。水平场和垂直场迫使等离子体微粒进入螺旋形轨道，即沿着环形容器中的孔穴形成的螺线轨道，这样就能使等离子体微粒在磁场内，而不接触冷壁。

萨哈罗夫和塔姆发明托卡马克时，普林斯顿的一位天文物理学家莱曼 · 施皮策（Lyman Spitzer Jr. ）正在设法解决同样的问题，并设计了一种A型仿星器，该型仿星器1952年于普林斯顿建成。它是在环形容器外部的导线上通以电流，以从外部产生极向磁场。在托卡马克中，等离子体本身就起“导线”的作用。施皮策还是一位登山和滑雪爱好者，当他在阿斯彭沿着滑雪吊索向上滑行时，想出了仿星器。

1961年，莫斯科I. V. 库沙托夫原子能研究所已故的列夫 · A · 阿茨莫维奇（I. V. Kurchatov）领导一个小组完成了T-3型托卡马克。1968年，核装置将等离子电子加热到10×10⁶℃以上的温度，原子核加热到约为1/210×10¹⁰°C，这样的温度可以维持几百分之一秒。

受控聚变的梦想第一次可能成为现实，托卡马克的“冲击波”传遍国际聚变界。自那以后，各主要工业国都在兴建托卡马克。

每当氢和氘的冷混合物注入普林斯顿的P. D. X，就射出一束闪电，这种电流的功率级可为普林斯顿全城供电。正如暴风雨中的闪电突然加热大气那样，脉冲迅速地加热托卡马克中的气体，使气体的电子绕着原子核周围的轨道飞速地旋转。在不到十分之一秒内，气体碰撞产生的温度为10×10⁶℃。

1978年，普林斯顿的科学家利用一台早期的托卡马克获得了70×10⁶℃的高温。但是只有高温并不能产生有用的能量。温度和热函（焓）是不相同的：温度是粒子速度的反映；而热函是粒子速度和粒子数两者的反映。如果只有少量的粒子，即使它们熔化，也不会释放很大的能量。事实上，直到去年，P. D. X实验中所用的等离子区内的粒子密度也是很低的，即使在与太阳内部相同的温度条件下，它的热函也不如来自辐射器的暖空气中所含的热函（在P. D. X中等离子微粒的密度为10¹³/厘米³，而大气中的原子微粒密度却为10²⁰/厘米³）。P. D. X装置的主要目的是增加等离子体的热函。但是最初的结果是令人失望的。

弗思说，讨厌的是，在明显地提高了等离子体的密度后，就再也不能达到相同的温度。他说：“去年冬天，我们利品P. D. X只达到30×10%，当时我们开始忧虑聚变本身是否可行。不能得到高温是令人烦恼的。我们将热量放掉了吗？为什么？是否还存在原则性的错误？”

基斯 · 博尔（Kees Bol）博士和他领导的P. D. X小组去年冬天绝大部分时间都花在“摆弄”托卡马克上，几乎像迷上教堂里的风琴一样。博尔说：“如何控制等离子体的热量和密度是一种艺术。我们增加了两叶大的氘原子注入器，并在等离子区内感生更大的电流，使电流不乱流动，结果明显不同。起初认为这是不可能的，但是这并不意味着那是不能做到的。”

实验进行了几周之后，注入环形室的氘原子束具有50000伏的能量，这是围绕环形室旋转的粒子能量的约50倍。此种新的“热”中性原子像狂欢节时带缓冲器的轿车，肆无忌惮地碰撞较冷的原子，大大地提高了它们的速度，因此也就使它们的能量增加。它们运动得越快，也就越热，不超过十分之一秒，温度就达到70×10⁶℃。

虽然人们没有在控制室里来回奔跑欢呼，相反，每个人依然静静地注视着监测设备，但是总有一种如释重负的共同感。

等离子体产生了约4×10¹³的裂变，释放的能量约为以前得到的聚变所产生的能量的两倍。

弗思说：“建造这么一座昂贵的装置责任重大，而如果建造的设备不中用，则可能是很不愉快的。”

值得注意的是，环形室内瞬发的放射性物质在高于太阳内部温度条件下被烧蚀后只有几分钟时，人们就可以在环形室的10英尺高的外壁周围活动，并检查环形室。因为检查的内容不多，所以也难以证明，是否还有意想不到的东西，但残余放射性几乎是不复存在的。气体冷却后，便被排出（抽走）。

未来的聚变动力反应堆操作人员一定要接触大量的放射性。但是，聚变反应堆比裂变反应堆的放射性要低得多，主要原因有下面两个：聚变反应堆工作时产生的放射性物质比裂变增殖（反应）堆少得多；放射性物质的类别可以进行选择，使其在几百年而不是几千年内衰减到对生物来说是安全的强度上。

在托卡马克绕有铜丝的磁铁内也有少量的剩磁（在检查剩磁时，有一次我回想起毕业那年在哈佛与弗思一起曾研究过的老式回旋加速器。铁磁体是可对粒子导向的。它不仅会磁化手表，使手表停摆，而且还可从我们手中将铁磁工具吸走，使它们撞击外壁）。

在高温条件下，当相当稠密的等离子体内发生的核聚变持续时间很长时，核聚变就可提供很大的能量，并且不需要由外部热源加热即可保持那种高温。此种现象称为“点火”（等离子体点火的方式，像圆木被加热到足够高温时发生自燃一样。引燃后的圆木产生的能量要比加热圆木、使它燃烧时所需的能量大得多）。等离子体处于高温状态时，只要加入的氘或氚——氘混合物，聚变就能持续下去。

纯氘的点火温度约为5×10⁸℃。约束时间必须约为在P. D. X中所达到的1/10秒的100倍。

氘和氚混合物的聚变反应要比纯氘快10倍，而且在更低的温度条件下（约60×10⁶℃）就足以使其点火。然而，氘 - 氚混合物也有缺点。氚是放射性物质，它的衰变期约为12年。因为天然氚都已衰变，自它最初形成时已过去几百万年了，所以实际上现在已不存在天然氚。这样，就必须制造氚。虽然如此，氘 - 氚混合物必定是第一代裂变电站所用的原料，因为它们所需的温度条件较低且反应迅速。

可大量供电的聚变电站很快就能出现吗？它看起来像什么呢？它的造价多大？首先应该说，目前托卡马克虽是最先进的聚变装置，然而它不是人们追求的唯一目标。如弗思所说：“制造磁瓶（物理学家用语，系指用磁场约束等离子体的装置）有许多途径，发明家之间的竞争是永无休止的。”

一种途径是“磁镜装置”。在磁镜中，等离子体沿直线导向，而不是绕封闭的圆轨道导向。在磁镜的两端，磁场可阻止粒子的运动，使它们回弹。原则上，粒子在“磁镜”之间应该持续不断地前后振荡。但是，在当前的实验中，微粒子在两端有漏失的趋势。一种有突破性的新想法，即由几面磁镜组成的所谓“半列式磁镜”可成功地解决这个漏失问题。除了这些磁瓶装置之外，还有一种“惯性约束法”，即利用强激光束冲击冷颗粒状物质，通过加热和约束这些物质以产生聚变动力。继托卡马克，这一成果也是很有价值的。

第二代大型托卡马克，即托卡马克聚变试验反应堆，今年下半年将在普林斯顿投入使用，而在英国卡勒姆的西欧联合环形室（聚变反应堆）将于1983年开始工作，其设计能力为30×106瓦。这已大大超过实际需要的电力（一座典型的现代核裂变发电站可发电10亿瓦。换句话说，电站工作时可提供足够的照明电，电量可供一千万个100瓦的灯泡使用）。根据能源发展署提出的计划，1984年前后国家将组建一个研究中心，私人企业、院校和国家实验室将联合评价有关引燃等离子体的工程技术问题。该中心可能利用托卡马克，并期望于1990年初投产。届时，各种约束方案将有可能完成一个聚变示范电站，它可能是一座聚变电站的样机。若工作进展顺利，那么此种电站应于2000年以后即开始工作。据能源发展署估算，此种电站的总的造价约为120 ~ 150亿美元，而国会过高地估算为200亿美元。在目前节约财政支出的情况下，步伐如此缓慢的聚变方案至少在最初阶段要按原计划进行。

如果电站中的聚变反应堆是托卡马克，那么庞大的环形室的直径可能为25英尺。环形室要用不锈钢或钛、锆和钼的合金制造。用这种合金建造的屏蔽层的内壁的总体厚度约为3英尺。与聚变反应堆相比，该屏蔽层可以承受高能中子的强轰击。但是这两类反应堆的安全问题是完全不同的。聚变反应堆中不可能出现失控事故。若不能约束等离子体，那么很容易中止聚变反应，等离体冷却后就停止聚变。即使聚变装置中的所有燃料都发生反应，也没有关系，因为再生区的温度只能达到左右，与裂变反应堆的事故引起的裂变对热量产生的高温相比，100°C是可忽略不计的。例如，三哩岛裂变反应堆生成的残余放射性物质本身就可使反应堆堆芯达到几千度的高温。

中子屏蔽不是一个复杂的工程问题，因为许多共生物，如硼，像海绵吸水那样能吸收中子。由于氚只具有低能放射性，所以氚衰变时辐射的电子也是低能电子，它不能穿透机壳。并且产生10亿瓦的电，每年只需用少量（约20磅）的氚。在某些核武器方案中，意外释放的氚会飘向大气，不留痕迹地消失。虽然如此，对聚变反应堆中的氚的处理也应十分注意，不要让氚从反应堆区中逸出。

然而，再生区也会变得有放射性，据估算、在10亿瓦的聚变反应堆中，每年大约有150码3的放射性物质需要处理或回烧。这个量是可以与聚变电站的高能放射性废物相比拟的。但是其优点是，可以选择屏蔽材料，以减弱放射性，并且放射性的寿命较短。裂变反应堆是没有选择余地的。裂变生成物如氪或锶是自然选择的，某些生成物必须安全地埋在地下几千年。

再生区将容纳锂。中子撞击锂核时，锂反应后变成氦和氚。因此，当反应堆工作时，可在再生区制造氚燃料，产生反应堆本身所需的燃料。再生区必须保持“冷却”，大约在400 ~ 500°C的温度下，这样，冷却剂才能在再生区内循环使用。在此过程中，冷却剂本身没加热，用这种热量可产生蒸汽，蒸汽又使发电机运转而发电。

聚变反应堆的消耗主要在其内部。估计变为燃料应用的不到10%。为了与一般的发电方法竞争（如果真是这样，那么聚变反应堆在二十一世纪或稍晚即可得到应用）。聚变反应堆的造价一定不能超过每千瓦3000美元。这样，10亿瓦的聚变电站的造价决不应超过具有竞争能力的30亿美元。现在，在1982年想谈论聚变计划能否实现，有点像莱特兄弟于1903年试图谈论波音747的造价那样。

最后必须探讨的问题是，是否应该花费200亿美元的巨额投资以将实验室研究的聚变动力转变成实际的能源&这并不是什么问题，而值得指出的是，所有的工业国都在不同程度上断言，聚变动力在节省现有能源方面具有光辉的前景。中国人在这方面取得的成果也是值得注意的。中国人的受控聚变工作可追溯到1955年，毛主席本人把受控聚变看泎是具有重要价值的科研项目。实验是用磁镜装置开始的，并在周恩来（总理）的大力支持下，最后用托卡马克进行了实验。这项计划，与其他科研工作一样，因受“四人帮”的破坏被迫下马，目前正在恢复。步美国的后尘，苏联、西欧和日本也都有了很大的发展（日本的工艺过程方案是世界上最先进中的一个）。然而，许多中国大学毕业生都到美国，在美国大学里研究物理学，其中许多人从事聚变研究，有的在哥伦比亚大学，在诺贝尔奖金获得者、美籍（华人）物理学家李政道的指导下进行研究工作。

裂变反应堆的危险是众所周知的，报上常常争论一些值得讨论的问题。我认为裂变反应堆是一种比大量使用煤更安全、且更有吸引力的选择。但是铀像煤和石油一样是一种有限的资源，并且在将来只能利用增殖反应堆才能将它分裂而产生新燃料。增殖堆还可为原子弹装药，因此可同其它安全问题一起考虑来适当地限制它的使用，甚至将来取消它。附带说一句，核动力方案处于困难状况的原因之一是，新方法完全成熟之前，裂变反应堆的设计基本上是要冻结的。聚变方案不应重蹈覆辙。

如哈罗德、弗思指出的那样，从传统的太阳能到聚变，从寻找食物到农业，同出一个目的。起初，人类采集到根茎菜蔬和野果就满足了，而后来，人类逐渐学会种植它们。如果排除障碍，使聚变动力能实用，那么我们将不必再去寻找可能发现的动力，地球海洋中的水将能为我们提供用之不竭的电量，因而从各方面来看，核聚变对世界文明的重要意义就像农业化和工业化一样，这是无疑的。

[New York Time Magazine，1982年1月3日]

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* J.Bernstein是史蒂文斯理工学院物理学教授和纽约时报的专栏作家，即将出版的《引人注目的科学》—书的作者——译注。

** 托卡马克是俄文缩写字，意思是环形室——即受磁场控制的环形室，它是研究热核反应的一种装置。——译注。