“太阳”来了

【英国《新科学家》周刊2月9日一期文章】题：太阳来了（作者　罗伯特·马修斯）
核聚变所需的只是把氢的同位素混合物加热到足够高的温度，使它们的原子核能够聚合，同时产生巨大能量。但是近半个世纪以来，自然界一直在同核聚变物理学家玩着捉迷藏，无情地捉弄他们，让他们误以为已经接近成功。“人类距获得无限的核聚变动力似乎只有40年——但是似乎永远还差40年。”
现在，核聚变装置的国际实验基地——牛津郡卡勒姆的欧洲联合核聚变实验装置（JET）项目中的研究人员可能已经突破坚冰。去年10月，在加利福尼亚长滩召开的美国物理协会会议上，他们展示的资料证明，达到并保持核聚变所需的1亿摄氏度高温是可能的。
核聚变需要“一条围巾”
对核聚变研究员而言这个进展预示着光明的前景。1998年，国际热核实验反应堆（ITER）项目的失败使他们的士气降至最低点，这个耗资100亿美元的项目旨在建造一个10层楼高的核聚变反应装置。美国核聚变理论家在计算之后对ITER能够点火的断言深表怀疑。这些怀疑以及高昂的预算促使美国国会撤出了美国的参与，制造这组巨型设备的希望也因此破灭。
建造核聚变反应堆的一个棘手问题是它的规模应该有多大。装置太小难以使高温持续足够长的时间，但是装置太大又可能使等离子区立即摧毁反应堆。寻找合适的尺寸意味着需要信赖“比例定律”——一条从世界各地的核聚变实验中总结出来的尺寸同性能关系的定律。
这似乎是一个十分冒险的策略。数年来，核聚变科学家一直满足于依赖这些比例定律，坚持他们关于最终的核聚变设备会如何运转的预测。伦敦帝国学院的史蒂夫·考利说：“问题是，这些预测没有多少真正的物理学依据。事实上它们只是与数据最吻合的图形。这令人觉得核聚变研究不是真正的科学。”如果要为比例定律奠定坚实的基础，就必须解决湍流这个难题———爱因斯坦本人也曾说湍流问题是整个经典物理学中最大的难题。
JET和ITER等核聚变设备中第一种具体的湍流模式是由得克萨斯大学核聚变研究学院的威廉·多兰和迈克尔·科琴罗伊特提出的。这种模式表明，湍流会导致ITER等离子区的热量散失，使点火成为不可能，这简直是最糟糕的结果。
一些核聚变研究者仍然不承认这种湍流模式，认为这种理论存在根本性缺陷。但是很多人开始对整个核聚变研究的未来产生了怀疑。一些核聚变领域以外的物理学家也对这个投入了巨额资金而没有明显收益的项目进行猛烈抨击。
在等离子区制造1亿摄氏度高温是一回事，保持这个温度又是另外一回事。超高温等离子区的湍流有一种有害的特性，它向外导出热量的速度与巨大电流和粒子束导入热量的速度一样快。但是如果人们能够在等离子区内制造一个低湍流区，它就像给热水管包上一条围巾，可以在一定程度上阻止热量向设备外散发。
阻止热量外散的第一种输送势垒被称作“高约束模式”或“H模式”，它在等离子区边缘俘获热量。各核聚变实验室的实验表明，当等离子区积蓄的热量超过某一临界值，其边缘就会突然产生一个低湍流区。人们还没有完全了解H模式湍流产生的确切原因，但是它具有戏剧性效果，能够使设备内聚变温度的持续时间延长一倍。
ITB带来3亿度高温　
对长期苦闷的核聚变学术界而言，好消息不止这一条。在去年10月的美国物理协会会议上，JET研究人员之一若埃勒·马尤提出了最有力的证据，证实了更加有效的热量俘获模式的存在，而且这些形式在等离子区的大部分范围内出现，而不仅仅是在边缘。它们被称为内部输送势垒（ITB）。
在美国物理协会会议上，马尤和她的研究小组展示了ITB对JET性能的显著改善。它们的保温作用使等离子区中心区域的温度提高到3亿摄氏度以上，超过引发持续核聚变反应所需温度的两倍还多。它还使处于或高于聚变温度的等离子区面积扩大了10倍——这是性能上的惊人改善。
但ITB不只是H模式湍流的加强版而已。马尤说：“它们真正优于H模式之处在于等离子区内可以因此产生一股强大电流，这意味着封闭等离子区需要外界提供的电流大大减少了。”
高温、更大的等离子区、更低的动力需求——大自然终于给了核聚变科学家一次机会吗？听上去似乎太好了，以致不像真的。马尤第一个承认，后面的工作将不会一帆风顺。她说：“ITB十分脆弱，而且开始时它们需要巨大的能量来启动。我们也还没有找到它们的比例定律。”
还有一个关于ITER的好消息。这项工程目前已经恢复，但设备的规模将更小，结构将更复杂，预计费用仅为最初庞然大物的一半。
支持简化的ITER的人承认，得到美国核聚变团体的支持只是他们面临任务的一部分。现在的问题是他们能否设法使美国和其他国家的政治家忘记这些年来高调吹嘘和希望的落空，让他们把信心同更多资金，投入到对这种终极能源的探索之中。