人造核星
從美國國家點火裝置實驗室的第三層由外往內(nèi)看，世界上最大的激光陣列就像世 界上最大的管道工程一樣，一排又一排直徑約0.4 米的管道整齊排列在一個空間里， 就像煙盒中整齊排放的煙卷一樣——區(qū)別只是這個盒子有三個足球場那么大。狹 小的通道密集排滿了數(shù)公里長的電纜，從空間的中心穿過，大金屬導管呈蛇形沿著 墻從頭頂穿過。這些叫做束射管的管道里裝著的不是水或氣體，而是192 根分離的激光束，它們在其中來回穿梭。當這 些光束穿出這個空間，它們的能量就會 放大千的五次方倍，然后一同聚合在一 個橡皮大小的目標上，引起強勁的脈沖。 工作人員告訴我，在這短暫的10 億分 之20 秒內(nèi)，氫原子會以強大的動力相互碰撞，最終產(chǎn)生一個核星。 聽起來令人印象深刻，當然了，看上去也 是如此！但是人們早在50 多年前就開 始期待能用上聚變核能了。如果聚變核 能真的像它的支持者說的那樣，這就能 夠在未來的幾百年中為人類提供足夠的 清潔能源。實現(xiàn)這種期待首先遇到的障 礙就是其最小的成分，即燃料：氫的同 位素，比如氘和氚，不管人們加多少熱， 投入多少資金和精力，他們都很難實現(xiàn) 碰撞。
但是去年秋天，設(shè)在加利福尼亞州洛倫 茲· 利佛莫爾國家研究所的國家點火裝置實驗室的物理學家們通過精心設(shè)計， 運用大量激光，取得了重大進步。他們 在這座價值35 億美金的點火裝置反應(yīng) 艙中燃燒了121千焦的紫外線，使得氘 核和氚核融在一起，形成氦原子，同時 釋放出了300 兆高能中子。盡管國家點 火裝置實驗室和其他實驗室都曾使原子 融合，但此次成果使研究人員向解決最 終挑戰(zhàn)（融合反應(yīng)制造出比啟動融合反 應(yīng)更多的能量）邁近了一步。
國家點火裝置的這一宏大項目并不是 唯一取得成果的實驗項目，在光譜研究 領(lǐng)域，許多創(chuàng)新性研究已經(jīng)開始取得先 進成果。在長達幾十年的令人沮喪的漫長研究之后，這種真正的實用核聚變能 源的出現(xiàn)可能會成為一種介于企業(yè)注 資和國家扶植之間的“種類”。
鑒于最近在日本發(fā)生了核反應(yīng)堆部分熔 毀的事件，在公眾中尋求對任何一種核 能的支持變得異常艱難。并且，核聚變比 核裂變有更為重要的安全優(yōu)勢：在核裂 變產(chǎn)能過程中，原子們，如鈾-235，分裂 成許多放射性元素，其中一些有極長的 半衰期。核聚變產(chǎn)生氦和中子，不會產(chǎn)生 有超長生存期的放射性垃圾。另外，聚變 不會引起失控反應(yīng)，因為同位素聚合需 要穩(wěn)定的能源輸入；發(fā)生任何核電站故 障，反應(yīng)幾乎都會立即停止。從長遠來看， 核聚變能量能夠減輕化石燃料，如石油、 煤炭等的壓力，同時跟風能、太陽能等清 潔但非持續(xù)性的能源互相補充。
在發(fā)電過程中，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量用 于驅(qū)動一個蒸汽渦輪，這跟其他發(fā)電站 的操作是一樣的。區(qū)別在于聚變反應(yīng)不 需要依賴大量的煤炭、鈾、石油和天然 氣來驅(qū)動鉆機設(shè)備，維護運輸管道，這 些是現(xiàn)存設(shè)備需要的配備。“看到那兩 個水壺了嗎？”國家點火裝置實驗室主 任愛德華·摩西指著設(shè)備中間的一處陳 列說，“這些產(chǎn)出的能量跟一艘大油輪 的石油產(chǎn)出的能量相當?！?/p>
世界上最大束激光的聚變
在國家點火裝置實驗室， “慣性封閉聚變” 始于一個非常小而弱的激光脈沖。脈沖 會分裂成48 束光線，并發(fā)射到前置放 大器，后者會將其能量升至數(shù)焦耳。激 光束繼而分裂成192 束，被分成幾個光 束線，然后進入兩個反應(yīng)艙。隨后，這 些光束會穿過兩個玻璃質(zhì)地的放大器 系統(tǒng)，后者會將其能量升至20000 焦耳。 離開主要的射線裝置后，平行的光束會 在一個十層高的“轉(zhuǎn)換中心”經(jīng)鏡子反 射重新呈現(xiàn)球形排列。一個終端的光學 裝置會改變射線的波長，將其由紅外線 轉(zhuǎn)換為紫外線，然后由一個透鏡將轉(zhuǎn)換好的光束集中在反應(yīng)箱中間一個精確的目標上。
國家點火裝置實驗室的目標反應(yīng)箱內(nèi)有聚變所需的燃料：一 角硬幣大的黃金氣缸，又叫黑體輻射空腔，空腔包著由鈹覆 蓋的、盛有氘原子和氚原子的容器。當激光照射到黑體輻射 空腔時，它們的能量就會轉(zhuǎn)化成X 光線，X 光線隨即燃燒盛 有氘原子和氚原子的容器，壓縮燃料，迫使其內(nèi)部爆炸。
放大器系統(tǒng)（在激光間里可以看到）為國家點火裝置提供了 99.99% 的能量。閃光燈的垂直光線激活嵌入磷酸鹽玻璃板上 的釹原子，當激光束穿過玻璃板時，它們就會吸取那部分能量。
民間的力量
位于華盛頓州雷德蒙德的簡陋氦能研究總部即將關(guān)閉，公司 整體搬遷到了一個毫無特征的郊區(qū)辦公花園后面，辦公面積比一個診所大不了哪里去；如果你不是特意來找這個氦能研 究所的，可能根本不會注意到它。門口的服務(wù)臺已經(jīng)被改裝成 了一個擺滿了電子元件的工作臺。五顏六色的電纜散亂的掛 在頭頂上方，各個工作區(qū)是由煤渣磚分開來的。在一角，研究 員們討論一個10 特茲拉的線圈，他們用這個線圈來增大反應(yīng) 堆磁場的能量。科學家喬治·沃楚貝克說：“我們造了那個線圈， 你給她看了嗎？”他的同事克里斯·皮隨口答道，“還沒有，線圈在前面的工作臺上呢！”
氦能研究所是諸多開始研究核聚變產(chǎn)能的機構(gòu)之一，其他的 機構(gòu)還有如位于加利福尼亞州福特希爾蘭奇的三阿爾法能量 研究所和位于不列顛哥倫比亞省溫哥華的通用核聚變研究所， 它們都跟龐大的官方對手有著相同的宏偉目標：證明核聚變 能量的可行性，以重新規(guī)劃全球能源藍圖。一些有遠瞻性的風險投資公司為這些機構(gòu)提供了資金，供他們科研使用； 拿三阿爾法研究所來說，該所已經(jīng)從許多大企業(yè)（包括 高盛集團和伏爾甘投資公司）籌集了超過五千萬美金。 氦能技術(shù)是由MSNW 公司耗費五百萬美金研發(fā)出來的， 該公司的持有人是華盛頓大學研究副教授約翰·斯勞。 為了見識到被斯勞叫做聚變引擎的整個反應(yīng)裝置，我來 到了距離氦能研究所幾分鐘車程的一座工業(yè)建筑里拜 訪他。他帶我走過一個會議桌，來到了一個放滿了巨型 金屬機器的房間。
在這個長約7.92 米的樣機里，含有氫同位素的熱等離 子化氣體團兩個等離子體猛烈沖擊彼此。兩個氣體團在 一個燃燒的反應(yīng)箱里發(fā)生碰撞，后融為一體。環(huán)繞著反 應(yīng)箱的電磁鐵不斷地擠壓等離子體，以制造出聚變反應(yīng) 所需的溫度和壓力條件——這是MSNW 公司2008 年取 得的里程碑式成果。斯勞，這位鬢見斑白、頭發(fā)微蓬、像 極了現(xiàn)代版愛因斯坦的副教授說：“這項研究的目的主 要是在短時間內(nèi)利用等離子團制造出比啟動這種反應(yīng) 所需能量更多的能量。”
管理信息服務(wù)高級能源顧問、前美國原子能委員會主任 羅伯特·希爾施認為，這些新興公司可能會帶來意向不 到的好處。由于資金限制，系統(tǒng)設(shè)計不得不盡量簡化， 這些新興公司最終制造出來的可能是清潔、簡化而非復 雜、集成的反應(yīng)器，就像國家電化裝置制造的反應(yīng)器那 樣，但很有可能遭受各種各樣的失敗。希爾施說：“要 想建立一個成功的聚變反應(yīng)系統(tǒng)，就應(yīng)該把它盡量建小， 采取一種縮減的方法，這樣才有可能做出一些成果?！?他們的團隊答應(yīng)要給我展示氦核聚變反應(yīng)的實際過程。 “你可能需要保護一下耳朵?！惫局飨w利浦·華萊士 邊說邊遞給我一副工業(yè)用的耳套。他的同事啟動了裝置。 當工作人員倒計時數(shù)到零時，忽然一聲類似于氣球爆炸 的聲音響起，閃過一束粉色的光線，光線強烈的讓我不 得不轉(zhuǎn)身避開一會兒。華萊士沖我得意地說：“你剛剛 看到的就是核聚變反應(yīng)?！?/p>
利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)能的想法自1952 年美國物理學家愛 德華·泰勒發(fā)明了第一個基于核聚變反應(yīng)的氫彈（該氫 彈能夠釋放出比裂變式原子彈多幾百倍的能量）以來， 就一直讓科學家們對之“魂牽夢縈”（熱聚變產(chǎn)能的方 法與臭名昭著的“冷聚變產(chǎn)能”方法截然不同，在后者 的實驗過程中，一股電流穿過重水里的一個電極來誘導 原子核結(jié)合）。但是在最初的核聚變實驗中，等離子體從反應(yīng)堆禁閉區(qū)泄露的速度比科學家 們預料的要快，在聚變反應(yīng)發(fā)生前就將 整個反應(yīng)毀掉了。
托卡馬克模式
20 世紀60 年代，蘇聯(lián)的科學家們試驗 了一種叫做托卡馬克的聚變反應(yīng)裝置， 使得聚變有了更好的前景。它是面包圈 形狀，裝置內(nèi)電子發(fā)生的磁場可將等離 子體限制在一定空間內(nèi)。當今的多數(shù)國 際聚變研究都遵循了托卡馬克模式；實 驗性的托卡馬克反應(yīng)堆，如英國的歐洲 核聚變聯(lián)合研究計劃和日本的JT-60 核 聚變裝置能夠幫助科學家們更好的了解 如何限制和操控聚變等離子體。在這些 資料的支持下，34 個國家共同合作建立 了世界上最大的托卡馬克裝置，叫做國 際熱核實驗反應(yīng)堆，該示范項目初步預 計于2019 年在法國投入使用。
國家點火裝置的科學家們采用了一種 截然不同的方法。他們不想費勁把等離 子體限制在一個磁場內(nèi)，而是想要建立 一個聚變反應(yīng)控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)在太 陽或氫彈內(nèi)部發(fā)生作用，利用激光作為 反應(yīng)的驅(qū)動劑——這是一項叫做慣性 約束核聚變的技術(shù)。國家點火裝置的摩 西指出，項目中大型激光陣列的建構(gòu)模 塊已經(jīng)被成功應(yīng)用于其他的工業(yè)環(huán)境 中：與國家點火裝置的設(shè)施類似的激光 二極管在幾年前就實現(xiàn)了電子通訊行業(yè) 的纖維數(shù)據(jù)傳遞。他說：“在別人的研 究基礎(chǔ)上趁勢而上，那感覺真的不錯?！?發(fā)明了脈沖觸發(fā)的磁場設(shè)計后，氦能研 究小組稱他們已經(jīng)找到了聚變過程中隱 蔽的最有效點：一種可靠而廉價的反應(yīng) 裝置，該裝置不需要細膩的光學元件， 也不需要復雜的等離子體限制程序。在 氦反應(yīng)堆中，流入等離子體的電子流會 改變外置磁場的方向；新的封閉場能夠 有效限制等離子體。華盛頓大學物理學 家理查德·梅爾羅伊說：“與托克馬克反 應(yīng)裝置和國家點火裝置相比，氦核反應(yīng) 堆相對更緊湊也更廉價。公共事業(yè)公司不需要投入數(shù)十億美金來檢測第一個試驗反應(yīng)堆是否可用?！绷硗馑€說，氦核 反應(yīng)堆的等離子體信息區(qū)和燃燒反應(yīng)艙被分離開了，這樣等離子信息區(qū)內(nèi)昂貴 的材料就能使用更持久。
另外，所有的聚變反應(yīng)試驗方法都面臨著一系列科學性和實用性上的未知。核 聚變反應(yīng)產(chǎn)生的大量中子會破壞托卡馬克裝置的組件，裝置內(nèi)部的等離子體也 有可能變得不穩(wěn)定，這樣就會阻礙反應(yīng)發(fā)生。盡管國家點火裝置通過將單獨的 激光圈射入目標反應(yīng)艙成功實現(xiàn)了部分聚變反應(yīng)，但是相似的激光需要在名為 LIFE 的、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室將于21世紀20 年代設(shè)計的示范性電站里 每秒發(fā)射10 至15 次才能成功。連續(xù)發(fā)射需要配備一個高頻率的激光發(fā)射器， 而這種發(fā)射器還沒有發(fā)明出來，更別說測試和投入使用了。
盡管氦能實驗室的反應(yīng)堆比國際熱核實驗反應(yīng)堆和國家點火裝置的反應(yīng)堆要簡 單得多，但是它提供的能量還不足以投入使用。斯勞說，他的團隊需要擴大反應(yīng) 堆磁約束場的規(guī)模，提高加速率使等離子體以現(xiàn)在兩倍的速度相互碰撞。這些 改進需要至少1500 萬到2000 萬的發(fā)展資金，而氦能實驗室現(xiàn)在拿不出這筆錢。 就算資金問題解決了，也不能保證反應(yīng)堆升級后會像預先設(shè)計的那樣反應(yīng)，或者 在較長的時間內(nèi)連續(xù)反應(yīng)。
華萊士在美國和歐洲各國籌集下一階段實驗所需的資金，但是各個公司似乎都沒有興趣為一個可能25 年后才開始制 造可靠能源的公司提供資金支持。他說： “人們都相信我們這個項目，但是說到 提供資金，他們還是很掙扎。我們相信 我們的項目要先進得多，但是我們也知 道離終點還很遙遠?！?/p>
核聚變產(chǎn)能的未來路
人們關(guān)注核聚變產(chǎn)能的可行性卻回避了 一個更關(guān)鍵的問題：我們是否應(yīng)該不顧 一切追求核聚變產(chǎn)能。對每個派別來說， 都至少有一名專家認為未來聚變產(chǎn)能 不會帶來商業(yè)利益?！耙粋€問題被低估 了，那就是如何將聚變能量轉(zhuǎn)化為可利 用電能這個挑戰(zhàn)?！奔幽么罂栴D大學 物理學家大衛(wèi)·勒布蘭克說。即使聚變 反應(yīng)成功了，也很難超越那個虛構(gòu)的平 衡點，創(chuàng)造出比啟動反應(yīng)所需能量更多 的能量——在這個挑戰(zhàn)被打敗之前，生 產(chǎn)清潔聚變能源只是一項實驗室里的 實驗而已。
一些觀察者認為，全面放棄核聚變項目 可能會讓我們過得更好。自然資源保護 委員會核能項目高級研究員托馬斯·科 克蘭說：“這些技術(shù)太奢侈了，我們根本 承擔不起。人們很難了解如何在合理的成本基礎(chǔ)上把這些能源商業(yè)化。”另外， 現(xiàn)在人們已經(jīng)在使用一些替代能源：風 能和太陽能技術(shù)已經(jīng)得到全面發(fā)展和 應(yīng)用，并且安裝渦輪和發(fā)電裝備所花的 錢立馬就能抵消碳的排放。
即使聚變產(chǎn)能最虔誠的支持者也同意 （鑒于貫穿于所有核聚變方法的技術(shù)問 題和建設(shè)樣機的高昂費用），聚變反應(yīng) 要想被采納還需要許多年。非營利性研 究公司聚變產(chǎn)能協(xié)會主席斯蒂芬·迪安 說：“長遠來看，結(jié)果肯定是聚變產(chǎn)能的 勝利。我們只是不清楚到底還要等多久。 如果我們的項目可以像登月和原子彈爆 炸那樣立竿見影的話，我們大概需要15 到20 年，但是那已經(jīng)是我能想象到的 最樂觀的事情了。”
其他研究者說，至少短期來看核聚變 可能會被用于處理核裂變產(chǎn)生的垃圾。 德克薩斯大學物理學家斯瓦迪士·馬哈 詹和他的同事們發(fā)明了一種混合聚變 裝置——一種裂變反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆 將聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子分流到靠燃燒 核垃圾產(chǎn)能的裂變轉(zhuǎn)換區(qū)。馬哈詹說“：通 過核聚變來產(chǎn)能必然有很長的路要走， 但是通過這個中間環(huán)節(jié)，我們可以為能源領(lǐng)域做出點貢獻。”
國家點火裝置實驗室的LIFE 發(fā)電站也 將用于燃燒核垃圾；為了盡早從公共事 業(yè)中獲得收益，氦能研究所也在考慮改 裝其反應(yīng)堆，用于燃燒核垃圾。從技術(shù) 角度來看，利用核聚變產(chǎn)能是很容易的， 因為沒有必要超越產(chǎn)能量和投入能量之 間的平衡點——這還有可能幫助解決 一個人們長期以來面臨的問題。桑迪亞 國家實驗室的數(shù)據(jù)顯示，氦能實驗室計 劃著的50 臺核聚變引擎能夠在20 年內(nèi) 將全美貯存的核垃圾全部燃燒掉。
核聚變的支持者們不管該項目要走彎 路，仍然決心完成他們的首次能源探索。 摩西和華萊士都堅信核聚變能量是全 球可持續(xù)發(fā)展未來的關(guān)鍵組成部分。華 萊士說：“當你有機會做一些有意義的 事情時，你會不亦樂乎地投入其中的。 這不僅僅是制造出另一種裝置、另一種 能源的問題。”如果他們真的實現(xiàn)了這 個項目，那就像是得到了看似遙不可及 的東西：比如取之不盡用之不竭的太陽 能，和一個能夠轉(zhuǎn)換太陽能為人類所用 的發(fā)電站，只是，現(xiàn)實層面的問題要遠 比文字描述復雜得多。
