1、四、聚变物理与等离子体物理进展（一）受控热核聚变研究受控热核聚变研究旨在探索新能源，因此它是当代倍受世人瞩目的重要科研项目之一。在早期，这一课题的诞生经历了几十年的漫长时间。1.早期核聚变研究与劳孙条件19 世纪末，放射性发现之后，太阳能的来源很快地被揭开。这一发现应首先归功于英国化学家和物理学家阿斯顿（Aston，Francis William 18771945）。当时，阿斯顿正在剑桥卡文迪许实验室，利用他所创制的摄谱仪从事同位素的研究。实验中他发现，氦-4 质量比组成氦的 4 个氢原子质量之和小大约 1%左右。几乎在同一时期，卢瑟福也提出，能量足够大的轻核碰撞后，可能发生聚变反应。1929
2、 年英国的阿特金森（de Atkinson，R.）和奥地利的奥特斯曼（Houtersman，F.G.）联合撰文，证明氢原子聚变为氦的可能性，并认为太阳上进行的就是这种轻核聚变反应。在美国化学家尤里（Urey，Harrold Clayton 18931981）发现氢同位素氘不久，1934 年，澳大利亚物理学家奥利芬特（Oliphant，Marcus Laurence Elwin 1901）用氘轰击氘，生成一种具有放射性的新同位素氚，实现了第一个 D-D 核聚变反应。1942 年，美国普渡大学的施莱伯（Schreiber）和金（King）又首次实现了 D-T 核反应。二战期间，美国洛斯阿拉莫斯实验
3、室在研制原子弹的同时，也进行了早期核聚变反应的系统研究。二战结束后，英国与前苏联也秘密地开展了受控核聚变研究工作。核聚变是诱人的，英国天体物理学家爱丁顿（Eddington，SirArthur Stanley 18821944）早在 1920 年就预言，”有一天，人类将设法把核能释放出来，为人类造福。”然而，实现这一目标却困难重重。仅以 D-D 反应为例，氘核带正电，发生聚变反应必须克服库仑斥力，使两核接近到核子间距离，即 10-13cm，必须具备 10keV 以上的能量。如果用加速器加速氘核，再使其轰击含氘的固体靶，加速氘核的绝大部分能量将损失在与电子碰撞的散射之中。还有人提出用两束高能氘核
4、对撞实现聚变。这种想法很快被证明是行不通的，因为氘核在束中的平均自由程很大，两束氘核几乎是完全透明的。要使对撞发生，氘核束的密度必须很高，然而密度极高的氘核束很难获得，即使成功地制备了这种高密度氘核束，在氘核的互撞中，不可避免的多次库仑散射，将使偏转角很快地累计达到 90，而使氘核偏转离开原有的束流散失殆尽。在这种情况下，人们很自然地想到了无规则的热运动。如果设法将一团氘核约束在一起，并加热使其到达足够的温度，核间频繁地碰撞，可望有核聚变发生。事实上，即使在聚变反应进行过程中，等离子体的能量也会通过多种途径不断散失。因此，如果热聚变发生，并且维持持续进行，不仅应保持高温等离子体的能量足够高，还
5、要维持能量平衡，以达到聚变的自持条件。1957 年，英国的劳孙（Lawson，J.D）计算了高温聚变等离子体能量平衡关系。他的考虑如下，若等离子体的密度为n，在温度为 T 时，如果不从外部获得能量，由于各种能量损失，等离子体最终将从高温降到室温，所维持的时间，称为能量约束时间 。若维持能量平衡，可使聚变堆输出功率，经过效率为 的热功转变系统，转变为电能回授给等离子体，用来维持等离子体工作，并补偿轫致辐射能量损失。如果维持能量的得失得当，聚变堆即可持续工作。以氘氚各半的等离子体为例，单位体积 D-T 反应的聚变功率为E 为每次反应释放的能量。其中第一项与第二项分别为轫致辐射与其它各途径的损失功率
6、。由此，劳孙得到了等离子体释放的总功率为根据劳孙的分析，为了把单位时间等离子体释放的总功率变为电能，用来加热等离子体，并补充轫致辐射损失，必须有P=P 损 。由此，劳孙得到如下结果：这一结果称为劳孙条件，它表明，等离子体达到聚变温度后，为了实现聚变反应能量得失相当，对等离子体密度 n、约束时间 都应有一定的要求。实现劳孙条件只表明聚变实现能量得失相当的最低情况，并没有多余的功率供输出使用。即使如此，这一条件仍然难以实现。概括起来，这个条件应满足两点，这就是极高的温度和充分长的约束时间。例如，D-T 反应时，Tc5keV，n610 13cm-3s；而对 D-D 反应的要求就更苛刻，Tc100ke
7、V，n=10 16cm-3s，这些数据称为劳孙判据。尽管实现这一目标，仅能达到聚变反应的收支平衡，它们仍被看作为聚变研究第一阶段的目标，因为只有实现了这一目标，才意味着受控热核聚变反应在科学上的可行性。劳孙判据的得出，标志着受控热核聚变理论研究的重要进展。它向人们指出，实现受控热核聚变反应的两个最基本问题就是：等离子体的加热和等离子体的约束。此外，劳孙判据中的 n值与等离子体的 Tc的乘积 nT c称为聚变品质因素，它已被列作判断聚变研究水平高低的标志。2等离子体磁约束在自然界中的等离子体，约束常是天然具有的。例如太阳和其它恒星，凭借自身巨大的质量，利用引力即可把等离子体约束在一起。地球的引力
8、仅是太阳引力的 33 万分之一，依靠如此微弱的引力，不可能约束住高温等离子体。人们很自然地想到了磁约束的方法。磁场对等离子体的作用包括三种，即带电粒子所受磁场的洛仑兹力、磁场对等离子体束的磁应力以及等离子体电流所受磁场的箍缩力。洛仑兹力可以把带电粒子约束在磁力线的周围，使其在垂直磁场的方向上受到横向约束；磁应力来自磁场的不均匀性，使等离子体整体受到指向内部的作用，从而抵消等离子体的热膨胀；而箍缩力将使等离子体电流束沿径向被箍缩，从而受到约束。磁约束装置的研制关键在于寻找到合适的磁场位形。(1)仿星器、磁镜美国天文学家和物理学家斯必泽（Spitzer，LymarJr.1914）是早期磁约束装置研
9、究中较为成功的一位。1935 年，斯必泽毕业于耶鲁大学，曾在著名天文学教授爱丁顿及罗素（Rus-sell，Hery Norris 18771957）指导下攻读研究生学位，1938 年获哲学博士学位。毕业后在耶鲁大学工作，后到普林斯顿大学担任天文系系主任。斯必泽早期研究的课题是弱磁场下，宇宙尘形成新恒星的过程。这项研究为他以后的成功奠定了基础。50 年代初，随着早期核聚变研究的热潮，他迅速地找准了研究方向，即研究高温等离子体的磁约束。最初，他设想用磁场把等离子体约束在一个圆柱形空间里。为解决等离子体在端点的泄漏，他设想把两端连接成圆环状。然而激磁线圈产生的环形磁场内侧强，外侧弱，致使正带电粒子向
10、下漂移，电子向上漂移，正负电荷的分离所产生的电场与磁场共同作用的结果，把等离子体向外推，因而不能形成稳定的约束。为了克服正负电粒子的分离，斯必泽巧妙地把圆环状空间扭成 8 字，于 1951 年 4 月提出了一种称为仿星器（Stellarator）的磁约束装置。等离子体沿 8 字形绕行一圈，总的漂移被抵消。同年 7 月，他得到 5 万美元的资助，开始了这项理论研究工作。1952 年建成第一台小型实验用仿星器Model-A，以后又陆续建成规模更大一些的 Model-B 和 Model-C。60 年代以后，由于实验结果不甚理想而进展缓慢，美国基本上停止了仿星器的研究。然而英国、西德、前苏联和日本却坚
11、持了下来，并取得了较好的结果。例如 80 年代英国在 CLEO仿星器上进行低电流欧姆加热实验，能量约束时间为 5ms，欧姆加热输入功率为 1215kW；西德的 WA 仿星器的大半径达到 2m，磁场的螺旋变换角可以连续调节。实验发现，用这种仿星器加热，等离子体的温度与密度分布都优于同样规模的托卡马克装置。他们在该仿星器上还成功地进行了中性注入实验。磁镜属于开端系统，它用中间弱、两端强的磁场位形约束等离子体，具有结构简单、 值高、能稳态运行等优点。提出这一方案的是刚从斯坦福大学获得博士学位的波斯特（S.Post）。1952 年，他从斯坦福大学毕业后，应聘到劳仑斯-利弗莫尔辐射实验室从事同步辐射研究
12、。应该实验室热核聚变研究课题负责人约克（H.York）的邀请，参与了核聚变研究。由于波特在微波与等离子体方面的知识背景，使他很快地从地球磁场俘获带电粒子中受到启发。地磁具有中间弱、两端强的磁场位形，被俘获的带电粒子在两极间来回反射，称为磁镜效应。波斯特把这一效应用于解决直线型聚变装置的等离子体泄漏问题，于参加工作的当年，就建成了第一台人工磁镜装置。1976 年，该实验室的 2B 磁镜装置的等离子体温度已达到 13keV，等离子体密度达到 21014cm-3。在采用中性注入技术时，也未出现约束不稳定性问题，所需要解决的是，由于磁力线在装置内不闭合而带来的终端损失问题。有人提出终端能量的再循环使用
13、，以及在端头加“塞子”的堵漏设想。基于这一想法，已产生了反向场磁镜、串联磁镜及环键磁镜等新设计。80 年代初，劳仑斯-利弗莫尔实验室的大型串联磁镜已投入运行。它的中部磁场长 5m，中心磁场 2kG，等离子体密度 1013cm-3，等离子体温度10keV，加热束流持续时间 25ms，端部磁场中心场强 10kG，端部磁镜用 5MW 的中性束注入加热。从发展趋势看，磁镜有可能是托卡马克的竞争对手，成为一种有前途的磁约束装置。（2）托卡马克早在 50 年代初，前苏联著名物理学家塔姆（Tamm，IgorYavgenyevich 18951971）就曾提出用环形强磁场约束高温等离子体的设想。1918 年，
14、塔姆毕业于国立莫斯科大学。从 20 年代到 30 年代早期，他曾以量子理论为基础，研究固体的光色散问题。1937 年，他成功地解释了切伦科夫辐射现象，为此与另一位前苏联物理学家弗兰克（Frank，Ilya Mikhaylovich 1908）共获 1958 年诺贝尔物理学奖。第二次世界大战后，塔姆转向受控热核聚变研究。他认为，把强电流产生的极向磁场与环形磁场相结合，可望实现高温等离子体的磁约束。受到这一思想的启发，莫斯科库尔恰托夫研究所的前苏联物理学家阿奇莫维奇（Artisimovich， Lev Andreevich 19091973）开始了这一装置的研究。最初，他们在环形陶瓷真空室外套有多
15、匝线圈，利用电容器放电，使真空室形成环形磁场。与此同时，用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来，利用不锈钢真空室代替陶瓷真空室，又改进了线圈的工艺，增加了匝数，改进了磁场位形，最后成功地建成了托卡马克装置。托卡马克这一名称由阿奇莫维奇命名，是俄文环流磁真空室的缩写。为了克服一般环形磁场使带电粒子漂移，致使正负电荷分离而产生电场，破坏稳定约束的缺点，托卡马克的磁场位形极为巧妙。它的总磁场是非圆环形的，它由一个沿大环形的圆形磁场与一个沿圆环截面的小环形弱磁场叠加而成，这种合成场的磁力线既沿大圆环旋转，又沿小圆环缓慢旋转而形成螺旋线。带电粒子在这种具有旋转变换的磁场中，正离子绕行一周后，进入
16、到电子漂移前的位置，而电子绕行一周后，进入到离子漂移前的位置。由于正负粒子互换，并不破坏原有的电中性，因而不再向外侧漂移。奇特的旋转磁场位形，使托卡马克取得了重大的进展。60年代末，前苏联的 T-3 和 TM-3 托卡马克的等离子性能明显地优于其它环形装置。电子温度达到 1keV，离子温度 0.5keV，等离子体约束时间达到了“玻姆扩散时间”的 50 倍。这一神速进展在 1968 年召开的第三届等离子体和受控热核聚变研究国际会议上一公布，立刻引起轰动。1969 年，英国卡拉姆实验室主任皮斯（Pease，R.S.）带领等离子体专家小组，对上述结果做了实地验证核实，证明准确无误后，引起了极大的反响
17、。因为这一进展表明，人类不久即可在托卡马克装置上实现受控核聚变。由于阿齐莫维奇首创的托卡马克装置对国际核聚变研究发展中所做出的杰出贡献，在他逝世后，国际原子能委员会做出决定，在每年度等离子体物理和受控热核聚变研究国际学术会议上，将有一篇专题报告，纪念阿齐莫维奇的功绩。自 70 年代伊始，世界范围内掀起了托卡马克的研究热潮。美国普林斯顿大学实验室将仿星器 Model-C 改装成 ST 托卡马克；橡树岭实验室则建成了奥尔马克（Ormark）；法国冯克奈-奥-罗兹研究所建成了克利奥（Cleo）；日本原子能研究所建立了JFT-11 托卡马克；西德的普朗克研究所建立了普尔萨特托卡马克；几年以后中国科学院
18、物理所也开始了托卡马克的研究，第一台小型托卡马克 CT-6 于 1975 年投入运行。1984 年 6 月，又建成了目前国内最大的托克马克装置中国环流 1 号（HL-1）。它们为中国的核聚变研究做出了许多开创性的贡献，在其上所取得的实验成果，都已经达到国际同类装置等离子物理品质参数水平。3惯性约束系统进展为实现受控热核聚变，必须把等离子体约束足够长时间。然而，磁约束方式既存在各样的宏观不稳定性，又存在有各种微观不稳定性，它们都可能使约束受到破坏。50 年代初，就有人从氢弹爆炸中受到启发，寻找到了一种通过惯性进行约束的方式。在氢弹爆炸中，氢的加热是由 235U 裂变炸弹爆炸完成的。由于自身的惯性
19、，在爆炸的极短瞬间，等离子体来不及四外扩散，就被加热到极高温度而发生聚变反应。60 年代，激光问世后，为可控加热方式提供了可能。1963 年，前苏联的巴索夫（Basov，Nikolai Gennadievich 1922）与中国物理学家王淦昌分别提出了激光核聚变方案。利用激光打在燃料靶上，使靶材料形成等离子体，由于自身惯性，在未来得及四散开来以前，即被加热到极高温度而发生聚变反应。惯性约束的原理虽然简单，实现受控热核聚变尚需克服一系难题。首先，要有足够强的激光器。根据劳孙判据，要在极短时间（10 -10s）内，把直径 1mm 的氘氚燃料靶加热到热核反应温度，激光器的能量应达到 109J，这几乎
20、是不可能的。1972 年，美国的尼科尔斯、华能等人又提出了一种“向心聚爆方案”。在核爆炸前，通过向心聚爆，把靶丸压缩到高密度，密度升高，可以相应降低热核反应温度，从而减小激光器的能量。当聚爆的瞬时高压达到 1017帕斯卡时，利用驱动器使靶丸吸收激光或粒子束的能量，靶丸表面融蚀，向外喷射形成超高强的向内压力。为达到这一目的，来自驱动器的激光或粒子束波形和靶丸的结构要匹配得当。这对驱动器和靶丸的要求都很严格。向心聚爆原理的提出，给激光核聚变研究带来了活力。目前，惯性约束已与磁约束一起，成为受控热核聚变研究的两大平行发展的途径。由于激光器与聚变堆是分开的，惯性约束反应堆将比磁约束聚变堆简单得多。此外
21、，惯性聚变研究还可用于军事目的。由于用惯性约束聚变模拟真实热核爆炸，可以在实验室获得数据资料，免去实弹实验的巨额耗资，一些拥有核武器的国、家也在积极进行此项研究。在惯性约束系统中，激光核聚变的进展异常神速。采用直接驱动法的激光聚变技术进展最大的是日本 GEKKO-钕玻璃激光器，它的能量达到 10kJ，波长 526nm，它已将氘氚靶丸压缩到固体密度的 600 倍。现计划将激光器能量再提高 100 倍，用24 路激光束射向靶丸，可望公元 2000 年前实现点火实验。美国直接驱动的激光聚变研究基地在罗彻斯特大学实验室 OMEGA激光器，它的能量达 23kJ，光脉冲宽度为 1ns，波长351nm，激光
22、分 24 路射向靶丸，氘氚燃料可被压缩到 200300倍固体密度。现在正计划把激光器能量提高到 30kJ，分 60 束输出，进行点火实验准备。在间接驱动激光核聚变研究中，美国处于领先地位。这项研究的中心设在劳仑斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）。1985 年已建成名为 NOVA 的钕玻璃激光器，其基波波长 1054nm，可转换成二次或三次谐波。通常使用波长为 351nm 的三次谐波，以控制激光与等离子体相互作用产生的不稳定性。NOVA 的输出能量为 40kJ，脉冲宽度 1ns，分 10 束输出，可将靶丸密度压缩到3.30.5g/cm3，离子温度达到 2.20.8keV，氘氚中子产生额为（8.1
23、0.8）10 9个。根据 NOVA80 年代以来的实验进展，1990 年，美国国立科学院的评论报告和美国能源部的聚变咨询委员会的评论报告中联合提议，1994 年财政年度将把 NOVA 装置升级到 12MJ，1997 年进行点火的低增益演示。这项研究的重点课题是激光与等离子体相互作用物理问题、流体动力学的不稳定性、X 光驱动的不对称对靶丸聚爆的影响以及建立和验证实验结果的数值模拟计算。1991 年 4 月，在日本召开的惯性约束驱动器国际会议上，美国宣布已批准 1991 年财政年度支持NOVA 增强运行能力的计划。与此同时，劳仑斯-利弗莫尔国家实验室也相应提出了将 NOVA 升级到 1.52MJ、
24、脉冲宽度35ns 的具体方案。4当前聚变研究的前沿课题目前，核聚变研究的前沿课题主要有如下几方面：(1)探索新的加热方式与机制为实现聚变点火，必须把等离子体加热到一定高温度以上，如何加热等离子体，一直是核聚变研究的重要课题。40 多年来，不少加热方案陆续提出，其中最基本也是最普遍的是欧姆加热法。根据欧姆定律，加热热功率密度应为p=j 2，j 为电流密度，=2.810 -8/T3/2m，其中 T 为电子温度。 的确定是根据斯必泽公式由氢等离子体得到的。上述关系表明，随着温度的升高，热功率密度将明显地下降，在较高温度时，欧姆加热效果明显变差。当然为提高欧姆加热的效率，可以增大电流密度或提高等离子体
25、的电阻率。然而，增加电流密度势必造成工程上的困难。而且，对于托卡马克装置，等离子体中的电流值不能超过某一极限。有人建议考虑等离子体的湍流因素，这是一种由微观不稳定性引起的等离子体混乱的集体振荡，如朗缪尔等离子体振荡、离子声波、阿尔芬波等。理论证明，这种湍流可以提高等离子体的电阻率。然而，湍流的存在，也会使等离子体的能量损失加快。此外，在用强电场驱动湍流时，电场还会引起等离子体中电子逃逸，因而破坏了等离子体的约束。由此看来，在一般情况下，欧姆加热可以作为等离子体的第一步加热法，进一步提高等离子体的温度，还必须寻找其它途径。中性粒子注入是目前较成功的一种等离子体加热法。磁场可以约束带电粒子，高能中
26、性粒子却能畅通无阻地进入等离子体。它们与带电粒子作用后，变为高能离子，从而被磁场约束在等离子体中。这些高能离子再与原有等离子体粒子碰撞，把能量转移给等离子体，使其温度升高。创造离子温度世界纪录的美国大型 TFTR 托卡马克就是采用这种方法加热的。用于注入加热的中性粒子，一般是高能中性氘或氢原子束。为了有效地加热等离子体，所注入的中性粒子束束流功率必须足够大，以使粒子束能到达等离子体的中心区域，否则粒子束只能加热边缘区域的等离子体，使这些区域的等离子体粒子撞击真空器壁，不仅损失能量，还能把杂质带入等离子体。实践证明，中性束流的功率不能太大，当其能量超过 150keV 时，中性注入的效率会急剧下降
27、。然而，聚变反应堆所要求的能量是 300keV 左右。此外，中性注入加热所需的设备庞大，结构复杂、造价高昂。目前，正探索射频波加热法，如电子回旋共振加热、离子回旋共振加热和阿尔芬波加热等。除了相关技术研究外，加热的共振特性，加热过程的能量转换及吸收机制与加热效率等一系列理论研究也在相应深入进行着。(2)改善等离子体的约束性能在实践中发现，高能中性粒子注入后，虽然提高了等离子体的离子温度，却随着温度的提高，约束性能也变坏。产生不稳定性出现的原因是注入高能中性粒子被电离后，所形成的高能离子的速度并不单一，速度的分布具有一定的宽度。这些高能离子使等离子体的速度分布受到影响，在速度较大处又出现一个峰值
28、而形成双峰分布。如果等离子体中存在有波，其相速度恰在升起峰值的上升区域，由于朗道增长，波的幅度也随之加大，因而使稳定性破坏。这种情况并非不能改善，当加热功率超过一定阀值时，等离子体边缘 Da线辐射强度突然下降， 等离子体密度明显加大，粒子及能量约束性能也随之明显地改善。1982 年，在西德中等托卡马克 Astex 上这一改善措施首次获得成功，这种现象被称为“L 模约束特性”。实践中还发现，满足一定条件时，随着中性粒子注入功率的增加，等离子体的约束性能反倒有所改善，这种现象称为“H 模约束特性”。H 模约束特性以及 L-H 转换机制是当前世界托卡马克装置上广泛研究的重要课题。L-H 转换机制的相
29、关理论也相继出现。这些理论的基本思想是在等离子体边缘的旋转速度、径向电场以及它们的剪切刀突然加大时，会使边缘的扰动得到抑制，从而改善约束性能，导致 L-H 转换。进入 90 年代，中国环流 1 号（HL-1）托卡马克装置，利用加偏压电极也实现了 H 模运行。研究人员同时外加径向电场对 H-L 转换及转换中等离子体的性质及变化过程进行了系统的研究，这一工作是我国核聚变研究的重要成果。（3）反常输运与涨落现象研究等离子体通常处于非平衡的热力学状态，输运过程是一种既基本又重要的物理过程。此外，磁约束下的等离子体是一种准稳态力学平衡系统，它的状态变化以及所引起的耗散效应，甚至迅速变化过程，如波动、不稳
30、定性或激波都主要由其输运过程决定，因此，研究输运过程对等离子体研究有十分重要的意义。等离子体输运过程的理论研究始于本世纪初，当时采用了李普曼-恩斯库格展开法对等离子体的输运系数进行计算。在40 年代，著名的前苏联科学家朗道从理论上研究了等离子体波的性质，导出了描述库仑碰撞的朗道碰撞项。50 年代，印度-美国天文学家钱德拉塞卡（Chandrasekhar，Subrahmanyan 1916）与美国天文与物理学家施必泽等人，曾运用福克-普朗克方程研究了库仑碰撞效应。钱德拉塞卡还引入了试探粒子的方法。托卡马克装置研制成功并大量运行后，最初，人们认为托卡马克装置中的等离子体能量损失主要来源于粒子的碰撞
31、与输运过程，例如，对于电子，主要来自电子的辐射损失、电子对流输运损失和电子热导损失；对于离子，则来自电荷交换损失、离子对输运损失和离子热导损失。由于这些损失都是以库仑碰撞为基本机制，都可以利用经典输运理论得到解释，称它们为“正常输运过程”。然而，早在 1946 年，玻姆（Bohm，David Joseph 1917）就首先注意到有反常的输运过程，它们不能利用经典的输运理论解释。对这种反常输运现象，他提出了一个扩散系数的半经典公式 D=CT e/16eBD B，D称为玻姆扩散系数。这一关系表明，D BT eB-1，它与经典扩散系数 Dc n/T 1/2B-2的定标关系差异很大。D B/DC之值竟
32、达到 104。近年来，虽然磁约束装置的扩散和热导损失已低于玻姆值，但仍然高于经典值。除了反常扩散、反常热导外，还存在有反常电阻、反常粘滞性、反常趋肤效应、无碰撞激波层内的反常耗散等。反常输运现象不仅存在于磁约束的等离子体中，在惯性约束的等离子体中也经常出现。反常输运现象已成为受控热核聚变与等离子体物理的重要研究课题之一。研究发现，引起反常输运现象的机制远比造成正常输运的库仑碰撞机制复杂得多。一般认为，它与等离子体中的微观湍流有关。主要地可归结为带电粒子间相互作用的长程力导致的集体效应。这种相互作用所激发的每一种输运模式，都会引起强烈的输运过程。例如，沿垂直于磁场方向的反常扩散和反常热导的可能机
33、制有：由不均匀性激发的各种低频波漂移，由电磁模不稳定增长导致的磁面破裂等。微观湍流在磁约束高温等离子体中普遍存在，目前对它们的起源及它们在反常输运中所起作用还了解不多，虽然已建立一些物理模型，但仍不能很好地解释所观察到的反常输运现象。受控热核聚变研究与等离子体物理的进展都急切地需要尽早地理论与实验相结合，弄清反常输运的物理机制。（二）冷聚变研究1冷聚变研究的热潮早在 1926 年，两位德国化学家潘尼斯和彼得斯就提出过冷聚变的设 想。他们使氢通过加热的钯粉或钯石棉，发现透过物中含有氦，于是认定 发生了核聚变。次年，他们把这一结果发表在英国自然杂志上。他们 的这个观点受到了卢瑟福的批评。后来，终因
34、发现所检测到的氦是石棉或 玻璃容器释放的，遂撤回了他们的观点。1927 年，也曾有一位名叫唐伯格 的人，申请一项瑞典专利。他声称，用普通水和电解装置，成功地产生了 氦，并释放能量。但是，由于这个实验未能重复做出，专利未获批准。1947 年，前苏联学者邦特马尔夫也提出了“冷聚变” 思想，但一直未被实验证 实。 60 年代，英籍捷克斯洛伐克裔的电化学家马丁弗莱希曼 （Fleischmann，Martin ）声称，他在浓缩氘的过程，发现了一些奇异的反 应。1975 年，弗莱希曼的研究生庞斯（Pons，Stanley）在用电极分离同 位素的研究中，也发现了类似的怪现象。1984 年，这两位电化学家在美
35、国 盐湖城郊外的米克尔里克山谷散步时，萌生了“在室温条件下进行受控核 聚变” 的设想。也有人认为，弗莱希曼关于冷聚变的思想有可能来自潘尼 斯，因为在 50 年代，弗莱希曼曾与潘尼斯同在英国的达拉姆大学化学系任 教。就这样，弗莱希曼与庞斯自筹 10 万美元，在简单的装置上，开始了常 温核聚变实验。1989 年 3 月 21 日，犹他州盐湖城犹他大学召开了新闻发布会，发布了弗莱希曼和庞斯的实验结果。公布中明确说明，在室温条件下，他们用 简单的重水电解装置，在钯电极上实现了持续的核聚变。他们所使用的电 解装置极为普通，电解液由 99.5%的重水和 0.5%的普通水加入少量的氘氢 化锂制成。电解液装在
36、长 20.32cm 的试管中，温度为 27。重水中插入两 根电极，阴极为钯极，阳极为铂极。通电流后，氘离子在钯极聚集、融合， 并释放出核聚变的典型物质：氚、中子和 射线，并有热量释放。所释放 的热量比实验耗用的能量多出 4 倍，他们一致认为，这是一种“冷聚变” 。 弗莱希曼和庞斯的这一发现，冲破了核聚变只能在上亿度的高温下进 行的传统观念，使低成本的核聚变有了希望。同时，他们的发现又是以新 闻发布会方式公布的，通过传媒炒起了强烈的轰动效应。新闻媒介把他们 的发现，称为“试管中的太阳” ，甚至认为，一旦进一步被证实，他们将 是“有把握的诺贝尔奖得主” 。很快，这一轰动效应所产生的热潮席卷到 世界
37、各地。几十个国家和地区的数百个实验小组，立即涌向冷聚变研究的 行列。一些在物理前沿各个领域中分别独领风骚的著名研究机构、大学及 公司，如美国著名的劳仑斯-利弗莫尔国家实验室、布鲁克海汶国家实验 室、美国海军研究所、圣地亚哥国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、 麻省理工学院、耶鲁大学、普林斯顿大学、德克萨斯 AM 大学、美国商用 机器公司（IBM ） 、英国哈韦尔实验室、德国卡兴实验室等，纷纷跻入这场世界范围的冷聚变竞争之列。 由于对新能源的渴求，人人都知道冷聚变的实现意味着什么。政府、工商界对冷聚变的热情也不亚于科学部门。在新闻发布会召开后的次月，即 1989 年 4 月，犹他州政府就表示愿意
38、拿出 500 万美金用于扩大实验。庞 斯在美国化学年会上作报告的第二天，几位科学家便被召至白宫，向布什总统介绍有关冷聚变的情况。在这次应召后，美国能源部长要求该部的一 些实验室在 90 天内弄清冷聚变的真相，并每周向能源部有关负责人报告实 验结果，以密切关注冷聚变研究的动态。当时，还有许多公司表示，愿为 犹他大学的冷聚变研究作风险投资。这一切都表明，人们充分认识到冷聚 变研究的价值及重要性。1989 年 3 月 21 日，即犹他州举行新闻发布会后 不到一个月的时间，全世界范围的冷聚变研究进入了高潮。美国传统核电 站的巨头与犹他州大学签订了首先取得了解实验结果的特权合同。前苏联 莫斯科大学调集了
39、一流的研究人员与仪器设备，准备全面铺开冷聚变的基 础研究。意大利科研部强调把“冷聚变实验放在 最优先地位”。比利 时科研国务秘书办公室专门召集有关专家会议，决定立即调集研究力量， 投入这项研究。同年 4 月 10 日，美国德克萨斯 AM 大学的 10 人研究小组 第一个宣布，他们成功地部分重复了庞斯与弗莱希曼的实验，输出的能量 比输入高出 20 80%。4 月 11 日乔治亚理工学院宣布，他们在冷聚变实验 中，测到的中子信号比本底高出 13 倍，还检测到了聚变产生物氚。4 月 12 日，前苏联莫斯科大学固体物理实验室报导他们重复了庞斯和弗莱希曼的 实验，测到了热与中子流。就这样，从 4 月份开
40、始，几乎每天都可以收到 来自世界各处的冷核聚变研究进展的报导。值得说明的是，在这场冷聚变热潮之中，世界各地化学家们所显现出来的特殊关注与热情。1989 年，即犹他大学新闻发布会当年的 4 月 12 日，第 197 届美国化学学会年会在达拉斯召开，会议专门安排了一个冷聚变小 组会。庞斯和弗莱希曼第一次在学术会议上介绍他们的冷聚变实验，参加 该小组会的人竟然达到 7000 多人。当会议主席向大家介绍庞斯和弗莱希曼 时，受到了热烈的掌声，不仅流露出众多化学家对庞斯和弗莱希曼的信任 与支持，也表现出他们对这项重大发明由化学家完成所持有的兴奋。大会 主席克莱多卡立斯的话代表了与会者的这种心情。他说：“物
41、理学家在 核聚变研究方面碰到了问题，现在似乎是化学家来拯救他们的时候了。 ” 对这一席话，全场立即报以热烈的掌声。事实上，就在冷聚变被世界各地科学家们炒得火爆时，反对者们的意见一直在持续着。4 月 12 日，就在冷聚变研究高潮之中，在意大利埃里斯 的“世界实验室” 主持召开的首次国际冷聚变讨论会上，大多数学者们持 有保留态度，他们对冷聚变实验提出了四个带有关键性的问题：为什么 实验中观测到的热效应与中子产率不相符；所观察到的大量热能到底从 何而来；为什么实验中要使用重水而不是普通水；到底是核反应还是 化学反应。与此同时，世界上有数百个研究组与研究机构，特别是一些世 界一流的研究机构，都未能重复
42、出庞斯和弗莱希曼的实验。例如，美国布 鲁克海汶国家实验室与耶鲁大学的联合小组、美国麻省理工学院、英国哈 韦尔实验室等，他们分别宣布，在冷聚变实验中既没有观察到特殊的热效 应，也没有观测到中子。4 月 25 日，乔治亚理工学院首先声明，撤回他们 以前关于测到中子结果的报导。他们指出，以前测到的“中子”，是由于 仪器对温度敏感导致出错误的结果。4 月 27 日，庞斯和弗莱希曼也撤回了 他们投向英国自然杂志的关于冷聚变的文章。因为他们不能给出审阅 者所要求的用普通水实验的对比数据。5 月 1 日，在美国巴尔的摩召开美 国物理学春季年会上，有 1500 名代表参加，除了少数几名代表发言支持庞 斯和弗莱
43、希曼的结果外，大多数物理学家都持否定态度。会后，有记者问到会的 9 位负责人，是否认为这次会议已对庞斯、弗莱希曼的实验结果宣 判了死刑，其中 8 位表示举手赞成，剩下 1 位虽然没有举手，却不意味他 支持这个实验结果，只是庞斯和弗莱希曼没有到会辩护，认为缺席裁判是 不公正的。5 月 7 日，在洛杉矶市召开 157 届美国电化学学会春季年会， 使同行们感到遗憾的是，庞斯和弗莱希曼非但没能给出新的实验结果，反 而承认他们在 射线和中子测试方面有错误。舆论普遍认为，他们过去的 冷核聚变的声明是错误的。劳仑斯-利弗莫尔国家实验室甚至提出希望庞斯 和弗莱希曼高价出售他们的实验设备和重水介质，以尽快解开冷
44、核聚变之 谜，这一倡议竟得到 1600 多位与会者的热烈响应。5 月 2325 日，美国 能源部和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合在美国新墨西哥的圣塔菲召开一个 规模巨大的专题讨论冷聚变的国际会议。来自 20 多个国家和地区的 450 位科学家出席了会议，其中也有中国的代表。庞斯和弗莱希曼虽被邀请， 却未出席该会。大会提交的讨论报告有 100 多篇。代表来自的科研领域很 广，学术气氛也很浓。发言和讨论的情况表明，一小部分仍对庞斯和弗莱 希曼的实验结果持肯定态度；大部分则认为，即使有冷聚变，由于反应速 率很低，只能产生极少量的中子与热量，离实用相差甚远；还有一小部分 认为不存在有冷聚变。事情发展到这一
45、步，似乎怀疑者又占了上风。在短 短的几个月的时间内，冷聚变研究从陡然出现的高潮到迅速降温，其间充 满了戏剧性。希望与失望、肯定与否定、支持与怀疑起伏跌荡，一时间真 假难辨，前景莫测。但是，有一点是肯定的，这就是人们对核聚变的态度， 已经从最初的狂热走向了成熟，冷核聚变也像其它一些学术问题一样，被 人们认真严肃地探讨着。2关于冷聚变的争论庞斯和弗莱希曼冷聚变的实验结果与传统的物理观念有很大的不同， 物理界，特别是核物理界对这一发现大多持怀疑态度。在意大利埃里斯“世 界研究室”1989 年 4 月 12 日召开的首届国际冷聚变讨论会上，学者们提 到的几方面问题最具有代表性。几年来，冷核聚变的理论与
46、实验研究也始 终围绕着这些问题进行着。关于冷聚变的热效应庞斯和弗莱希曼实验最引人注意的结果是，重水电解过程中所产生的 大量的热。输出的热竟然比输入能量高出 4 倍，每立方厘米的钯能产生 10 瓦以上的功率，放热效应能持续 120 小时以上。他们认为，不能不把这些 能量的释放归结为核聚变的结果。然而，任何一个对核物理稍微懂行一点 的人，都会感到疑惑，为什么所观测到的中子数却与如此强的热效应不相 符合呢？如果这个热效应确实是由氘-氘聚变反应引起，相应的中子产率应为 1013/s，而在实验中却只观测到 104/s。对这一问题，反对者们的意见 很强烈，支持者们却给予了种种方式的解释。例如，麻省理工学院
47、的彼得里 格尔斯坦，X 射线激光的发明者，提出了一种解释，他认为，氘-氘聚变产 物是激发态氦，它的能量被传送到钯晶格生热，只有少量的激发态氦-4 分 裂成氦-3 和中子。庞斯在 1989 年 4 月 17 日又通过新闻发布会宣称，他们已经从电解池中测量到了大量的氦-4，其产率为 1012/s，与观测到的热相 匹配。然而，加州理工学院的路易斯却认为，这一含量与空气中含量相似。 因为实验中用氦作冷却剂，周围空气中的氦未除净，所以庞斯测到的氦-4 是来自环境空气。关于与普通水对比实验的争论 在意大利埃里斯召开的首届冷聚变讨论会中，不少科学家提出，为什么庞斯和弗莱希曼的实验只用重水不用普通纯水。庞斯投
48、向英国自然 杂志的文章也因为没有给出普通水对比的实验数据而被退回。庞斯后来用 普通水做了对比实验，只产生很少的热。同样，德克萨斯 AM 大学研究小 组以及斯坦福大学的哈里斯等人也都证明，他们在普通水的实验中，只观 察到极少，甚至没有热效应，对这一现象仍不能做出很好的解释。关于 射线的测量聚变反应的证据除了强热效应就是中子产物，而产生中子的 证明又与 射线直接相关。庞斯与弗莱希曼指出，他们在 2.22MeV 附近， 测量到了 射线的能谱峰值，认为这是氘- 氘聚变产生的 2.45MeV 的中子与 溶液中质子的聚变反应生成的，从而证明了反应物中子的存在。然而，一 些研究小组对此提出质疑，例如，麻省理
49、工学院研究小组指出：庞斯和 弗莱希曼所观测到的 峰宽度仅只是仪器分辨率的一半，这是不可能被测 到的；中子与质子反应所产生的 射线，应该在 1.99MeV 附近，有一个 康普顿边峰；在由 射线的强度计算中子产率上也有错误，计算值比应 有值大了 50 倍；根据电视录下的 射线谱图估计， 射线峰应在 2.25MeV 位置上，而不是 2.22MeV 上。根据上述理由，他们认为，庞斯和弗莱希曼 实验中所谓 射线很可能是一个假信号。多伦多大学研究小组则认为，庞 斯和弗莱希曼实验中的 射线是氡衰变产物铋释放出来的。因为氡一般在 地下室存在，庞斯和弗莱希曼的实验正是在地下室进行的，犹他州又有较 多的铀矿，氡在地下环境中含量较大。关于中子的测量庞斯和弗莱希曼宣称，他们是用三氟化硼中子测试仪测量冷聚变中子 的，中子产率为 4104/s。然而大多数研究组却指出，他们所做的实验却没有测到或测到极少的中子。例如，布鲁克海汶国家实验室和耶鲁大学联合研究组在 7 天内只测到 2 个中子。一些小组还指出，三氟化硼测试仪对 温度很敏感，重水电解时，又使周围的温度、湿度发生变化，
