追逐太阳：从阿斯顿到托卡马克的聚变能源追求(追逐太阳歌词)

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从阿斯顿首次测量质量缺陷到 ITER 的庞大复杂性，聚变有望将恒星的能量输送到地球。但是，它还没有成功。

作者：Matthew A. McIntosh

公共历史学家

从许多方面来说，对聚变能的追求是现代最大胆的科学努力。它寻求的无非是利用为恒星提供动力的相同元素力量，承诺清洁、安全且几乎取之不尽用之不竭的能量。然而，聚变研究的历史并不是一个线性进步的故事。这是一个关于递归野心、政治纠葛、非凡失败和周期性复苏的故事。从 1920 年代对质量能转换的早期洞察，到 21 世纪 ITER 庞大的跨国基础设施，聚变能一直占据着一个阈限空间，徘徊在科学可行性和技术幻想的边界上。

本文追溯了自 1920 年以来聚变能研究的思想和制度历史，从弗朗西斯·威廉·阿斯顿 （Francis William Aston） 意识到原子核质量缺陷开始。它遵循了塑造这一长达一个世纪的探索的不断变化的希望和范式，从冷战保密到国际合作，从激光诱导的内爆到甜甜圈形状的磁阱。聚变科学的发展轨迹虽然以停滞的突破和不确定的时间表为标志，但不仅阐明了人类对物质控制的局限性，也阐明了能源乌托邦在塑造现代技术政治方面的持久力量。

阿斯顿第三台质谱仪的复制品 / 摄影：Jeff Dahl，维基共享资源

1920 年，英国物理学家弗朗西斯·威廉·阿斯顿（Francis William Aston）使用他新开发的质谱仪发表了一系列原子核的精确质量测量。 1 他的工作表明，氦核的质量略小于理论上可以组装的四个质子的总质量。这种差异被称为“质量缺陷”，意味着在聚变过程中必须释放能量。 2 尽管其影响尚不清楚，但阿斯顿以非凡的先见之明指出，如果质量差异被“释放和利用”，那么能量潜力将使当时可以想象的任何东西都相形见绌。

阿斯顿的洞察力建立在爱因斯坦著名方程 E = mc 2 的逻辑之上并扩展了。它暗示轻原子核的合成可能是一种巨大的能量来源，尽管这种反应所需的条件、异常温度和压力尚不清楚。阿斯顿不是工程师。他关心的是测量的精确性，而不是反应堆的实用性。尽管如此，他的发现早在“聚变”一词进入科学词典之前就为聚变能研究领域奠定了概念基础。

不久之后，从实验室数据到天体物理推测的飞跃就实现了。同年，亚瑟·爱丁顿提出，太阳的能量可能来自氢与氦的聚变，将核物理学与恒星热力学联系起来。 3 这一宇宙假说将聚变从质谱的推测副产品转变为恒星天体物理学的核心。宇宙的能量过程第一次被置于理论物理学的范围内，即使还没有工程学。

圣诞岛的擒抱行动是英国的首次氢弹试验。/ 由英国皇家空军提供，维基共享资源

核武器的出现将聚变从理论转变为可怕的实践。氢弹或热核武器表明，聚变反应可以在地球约束条件下启动，尽管只能使用裂变弹作为触发因素。1952 年，美国以“常春藤迈克”的名义进行了第一次成功的测试，在大规模破坏性的链式反应中融合了氢的同位素。 4

这种成功是自相矛盾的。它证明了聚变能是真实存在的，但也揭示了它的波动性和危险性。氢弹证实了聚变可以释放巨大的能量，但只能以完全不适合民用的形式。挑战变得清晰起来：如何驯服太阳的暴力以达到和平目的。这将被证明是一个极其困难的提议，其技术要求超过裂变反应堆，其资金将取决于冷战时期的赞助。

到 1940 年代末和 1950 年代初，聚变研究已军事化。美国、苏联和英国各自制定了旨在利用聚变发电的机密计划。这些程序催生了等离子体物理学学科，即对高温下电离气体的研究，这对于理解持续聚变所需的条件至关重要。 5

最早的实验集中在磁约束上。这个想法是利用磁场来容纳足够长的等离子体以发生聚变反应，由于等离子体容易变得不稳定并泄漏能量，这项任务变得困难。在英国，ZETA（零能热核组件）实验在 1958 年短暂引起轰动，当时研究人员错误地认为他们已经实现了聚变。 6 这一说法后来被撤回，但这一事件展示了冷战时期围绕聚变研究的科学野心和政治压力。

一组高频管（84 GHz 和 118 GHz），用于托卡马克配置变量 （TCV） 上的电子回旋加速器波等离子体加热。由 SPC-EPFL 提供。/ 照片由 Rama， Wikimedia Commons 提供

苏联在 1960 年代对聚变研究做出了关键贡献，开发了托卡马克，这是一种使用强磁场来限制等离子体的环形（甜甜圈形）装置。莫斯科的 T-3 托卡马克实现的等离子体温度和限制时间远远超过之前的尝试。当西方物理学家参观苏联实验室并确认结果时，美国、欧洲和日本掀起了一波托卡马克建设浪潮。 7

到 1970 年代，托卡马克成为聚变研究的主导范式，取代了恒星器和磁镜等竞争对手的设计。它提供了通往“盈亏平衡”的最有希望的途径，即聚变反应产生的能量与消耗的能量一样多。然而，盈亏平衡仍然难以实现。每一个新反应堆，英国的 JET、普林斯顿的 TFTR、日本的 JT-60，都进一步突破了界限，但没有一个能够跨越它。 8

与磁约束同时，出现了另一种方法：惯性约束聚变（ICF），其中强大的激光或粒子束压缩一小块氘和氚以启动聚变。ICF 大量借鉴武器实验室，尤其是加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室，那里建造了湿婆和后来的国家点火设施等设施。 9

ICF 承诺提供一种更紧凑、也许更具可扩展性的聚变路线，但它面临着自身的巨大挑战，特别是在实现必要的内爆对称性和最大限度地减少能量损失方面。尽管经过数十年的工作和数十亿美元的投资，ICF 也未能点火，尽管它产生了越来越复杂的诊断和模拟。

国际热核聚神经实验堆 （ITER） 的剖面图是世界上最大的托卡马克，于 2013 年开始建设，预计将于 2035 年开始全面运行。它旨在证明实用的聚变反应堆是可能的，并且将产生 500 兆瓦的功率。底部的蓝色人物显示比例。/ 由美国能源部、维基共享资源提供

纵观其历史，聚变能一直被过度承诺所笼罩。科学家、政界人士和大众媒体一再宣称，商业聚变“只有 30 年的时间”。 10 这句话现在已经臭名昭著，它揭示了将科学里程碑转化为技术革命的困难，而不是缺乏进步。聚变的巨大潜力使其在政治上不可抗拒，尽管其复杂性使其永远消退。

Fusion 也是其自身宏伟的牺牲品。它对私营企业来说太大了，对选举政治来说太长远了，对大众来说太科学了。它的预算随着油价、国家焦虑和党派优先事项的转变而波动。尽管其长期承诺，但缺乏即时回报使其成为削减资金的软目标。正如一位美国物理学家在 1983 年感叹的那样，“聚变总是受制于别人的危机。 11

到 20 世纪末，聚变研究已成为一项跨国企业。国际热聚变实验堆 （ITER） 于 1985 年首次提出，自 2007 年以来一直在建设中，是迄今为止最雄心勃勃的聚变项目。ITER 位于法国南部，由欧盟、美国、中国、俄罗斯、日本、韩国和印度等财团资助，旨在展示能量增益的持续聚变。 12

然而，ITER 也是科学官僚化的典范。它的时间表延长了几十年，成本膨胀，地缘政治共识仍然脆弱。即使成功，ITER 也不会发电。这是下一代的概念验证，可能还需要几十年才能到来。

聚变能的历史是一部充满希望、复杂性和耐力的历史。从阿斯顿首次测量质量缺陷到 ITER 的庞大复杂性，聚变有望将恒星的能量输送到地球。它还没有成功。然而，从某种意义上说，它已经改变了科学，塑造了从等离子体物理学到材料工程的领域，并在此过程中培养了一代又一代的研究人员。

聚变不是失败的。它提醒人们，重新构想文明的能源基础所需的雄心壮志。它迫使人们对时间、成本和技术决定论的局限性进行清算。它的长弧可能最终形成不产生碳、不产生废物和弹头的发电厂。但即使那一天仍然遥远，追求本身也揭示了许多关于定义我们现代世界的梦想和结构的信息。

1. 弗朗西斯·阿斯顿，《元素的构成》，诺贝尔演讲（1922 年 12 月 12 日），https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/aston-lecture.pdf。
2. 同前。
3. 亚瑟·爱丁顿，《星星的内部构成》（剑桥：剑桥大学出版社，1928 年），212-217。
4. 理查德·罗兹，《黑暗的太阳：氢弹的制造》（纽约：Simon & Schuster，1995 年），458-460。
5. Spencer R. Weart，《权力科学家》（剑桥：哈佛大学出版社，1979 年），164-169。
6. 约翰·格雷戈里，“ZETA 潜力之谜”，《自然》295，第 267 期（1982 年）。
7. 布莱恩·卡思卡特，《大教堂里的苍蝇：一群剑桥科学家如何赢得分裂原子的国际竞赛》（纽约：Farrar、Straus 和 Giroux，2005 年），276-278。
8. Stephen O. Dean，寻找终极能源：美国聚变能源计划的历史（纽约：施普林格，2013 年），144-147。
9. 约翰·林德尔，惯性约束聚变：使用间接驱动寻求点火和能量增益（纽约：AIP 出版社，1998 年），92-95。
10. Michael Edesess，“核聚变背后的虚假希望”，Advisor Perspectives（2023 年），https://www.advisorperspectives.com/articles/2023/04/03/the-false-hope-behind-nuclear-fusion。
11. 迪恩，寻找终极能源，168。
12. ITER 组织，项目里程碑和目标，2025 年 7 月访问，https://www.iter.org/project/road-iter#event-us-delivers-fifth-central-solenoid-module。

• 阿斯顿，弗朗西斯·元素的构成。诺贝尔演讲，1922 年。通过 NobelPrize.org 访问。
• 卡思卡特、布莱恩.大教堂里的苍蝇：一群剑桥科学家如何赢得分裂原子的国际竞赛。纽约：Farrar、Straus 和 Giroux，2005 年。
• Dean， Stephen O. 寻找终极能源：美国聚变能源计划的历史。纽约：施普林格，2013 年。
• 爱丁顿、亚瑟.恒星的内部构成。剑桥：剑桥大学出版社，1928 年。
• ITER 组织。项目里程碑和目标。访问日期：2025 年 7 月。https://www.iter.org/project/road-iter#event-us-delivers-fifth-central-solenoid-module。
• 埃德塞斯，迈克尔。“核聚变背后的虚假希望。”顾问观点（2023 年 4 月 3 日），https://www.advisorperspectives.com/articles/2023/04/03/the-false-hope-behind-nuclear-fusion。
• 林德尔、约翰.惯性约束聚变：利用间接驱动寻求点火和能量增益。纽约：AIP 出版社，1998 年。
• 格雷戈里、约翰.“研究 ZETA 潜力的奥秘。”自然 295，第 267 期，1982 年。
• 罗德、理查德.黑暗的太阳：氢弹的制造。纽约：Simon & Schuster，1995 年。
• Weart， Spencer R. 掌权的科学家。剑桥：哈佛大学出版社，1979 年。