可控核聚变实验屡战屡败，科学界并不屈服，那些奇异的核聚变装置

在20世纪70年代早期，随着俄罗斯的T-3装置实验成功，当时世界上多数核聚变科学家纷纷加紧建造各自的托卡马克装置，而在美国，一些科学家认为，这不是一个好的主意，那样他们的核聚变计划会变成一个只有一匹马参加的必胜的竞赛。美国的计划持续了20年，资建了一系列与众不同的核聚变装置——仿星器、箍缩器、磁镜装置以及其余更多的奇异设备。不过，它们的数量有减无增。随着托卡马克装置的出现，仿星器大部分已经被放弃了，而其它类型的装置要么稳定性不好、等离子体泄漏，要么温度或密度太低，运行得都不够正常。这个美国计划如果不打算变成“托卡马克秀”的话，还需要一些别的东西。

最有力的竞争者是磁镜装置，尽管它还在某种程度上落后托卡马克装置。在旧金山附近的劳伦斯•利弗莫尔（Lawrence Livermore）实验室，这类设备已经成为这个实验室自成立以来的支柱，理查德•波斯特（Richard Post）是实验室的受控核聚变课题组的带头人。波斯特和他的同事们已经建造了一些小的装置，但是稳定性一直不好，这导致它们约束等离子体不超过一毫秒，并且等离子体的密度依然较低。然而，对于反应堆工程师来说，磁镜装置具有简约性：直线形场力线，简单的环形磁体，可预测的粒子运动——大不相同于托卡马克或仿星器，它们需要几何扭曲才能运行。磁镜装置约束等离子体的方式和仿星器是一样的：磁场线沿管道直线排列，而粒子会被拉向磁力线，进而沿磁力线做紧密的小螺旋运动。当这些粒子到达磁通管末端时，磁镜的问题出现了:你如何阻止粒子逃逸？

最简单的方法就是在容器的每一端加装强磁镜线圈。这使得场力线被压缩成紧密的一束。螺旋运动的粒子当碰到这增强的强磁场，它们会被反弹回来，并沿着管道来回漂移。这对大多数粒子都起作用，但是仍有许多粒子逃逸出去，设备的性能因此衰减。研究人员开发出其它一些更复杂的端塞磁体设计，希望借此产生一个更强阻泄作用的磁塞。这包括“棒球缝”位形线圈，和两匝互锁位形线圈，被称为“阴阳线圈”，它的形状象道教符号代表阴阳的两仪图。

1973年，利弗莫尔的科研人员运行被称为2XII的磁镜装置，没有得到很好的结果——约束性能低于预期。可是，他们注意到，当等离子体密度升高时密闭度随之提高了，所以他们开始寻找注入更多等离子体的方法，从而提高密度。附近伯克利辐射实验室的同事们提供了一种解决办法：他们研发了一套能够发射中性粒子束的系统，这对于2XII研究组来说看起来是一个理想方法，能够给他们的等离子体增加更多的原料。为了注入中性束，他们花了两年的时间升级改装自己的装置，但是，在1975年6月，当他们启动新的2XIIB(多个B指“beams，波束”)时，他们发现密闭度与事实不符。

在走投无路的情况下，他们尝试一个几年前理论预言的巧妙方法，作为一种致稳途径：将一束低温等离子流穿过容器中高温的等离子体。结果戏剧性地抑制住了不稳定性。到下一月他们将离子温度加倍到1亿℃——当时的一个记录显示：等离子体密度达到最高纪录并且约束时间增长了十倍。还出现了另一种副效应：温等离子流能让中性束在加热等离子体方面变得非常有效，显著的效果使科研人员觉得他们可以放弃先前采用的加热方法——利用磁镜线圈产生的高频电脉冲快速压缩等离子体。没有电脉冲的干扰，2XIIB是一台有效的致稳装置——反应堆设计师的圣杯。

来自能源研究与开发局（ERDA）的计划管理方对这一成果感兴趣。对托卡马克来说，这意味着有装置足以成为它的一个有力挑战者。当时中东石油禁运推高燃料的价格已有一年多，政治家们迫切寻求任何一种可替代的能源——取代进口阿拉伯半岛的石油。利弗莫尔实验室希望搭上这趟赚外快的列车，迅速为大规模型号的2XIIB制定了计划，这一装置被称为磁镜核聚变测试设备，或称MFTF，ERDA同意资助它的建造。

虽然2XIIB无疑是一次成功，但是它的端镜仍有泄漏，所以许多人怀疑MFTF真的会达到发电反应堆的级别么?即使是最乐观的预估，一台完整规模的MFTF只能完成非常有限的产量——它会产生轻微超过用来维持它运转的电量。因此，在设计MFTF期间，利弗莫尔实验室有相当大的压力，要设法拿出一些技术来阻止泄漏和提高获电量。

与此同时，1976年苏联的研究人员也找到解决办法，那就是一种以“串列磁镜”闻名的技术系统。在这类装置中，每端的单极磁镜被一对串列磁镜取代，每端串列磁镜中间被一节短直的部件隔开。端塞的两个磁镜间中建立起等离子体约束势，形成一个“微型磁镜”系统，这被证明是一种比单极镜端更为有效的端塞。为了测试这个设想，利弗莫尔实验室说服ERDA资助另一种实验的建造，它小于MFTF，被称为串列磁镜实验。他们建造了TMX，结果的的确确显示双磁镜端塞减少了泄漏量。唯一的麻烦是，现在利弗莫尔实验室的研究人员不得不重新设计MFTF。他们选择缩短现有的MFTF，并把它变成第一个端塞，所以他们现在需要另一台完整的MFTF，把它作为第二个端塞和中心部件。这新的设计，称为MFTF-B，比原来的要大很多而且更贵，但是鉴于有了这么深入的进展，ERDA同意推进。

虽然串列磁镜减少了泄漏，但是还有改进的空间。在1980年，利弗莫尔的科研人员提出了另一种构想:在装置的每一端加装第三个磁镜，这样在两端将造出一个双层等离子体塞，能进一步阻塞等离子体泄漏。为了测试这种想法他们升级改造了TMX装置，加装了外加的磁镜，它确实变成了一个更加有效的塞子。这相应地导致了又一次重新设计MFTF-B，来增加额外的磁镜。

到现在为止MFTF-B已经变成一个机器怪兽。等离子体管和每一端的所有磁镜被封裹在一个不锈钢的真空容器里，直径有10米，长度有54米。你能够轻松地将一辆双层巴士开进它的中间。当它开始运转时，需要150名工作人员管理，预计每月要消耗100万美元的电力。这种复杂的端塞远不是当初简单的机械结构，那种结构曾吸引许多人去研究磁镜装置。一些研究人员开玩笑说，像一颗树的年轮那样，你通过数有多少磁镜被加到末端，能说出一个磁镜装置的岁数。

托卡马克模型

总共用了九年的时间建成MFTF-B，花费了37200万美元。1986年2月21日，员工和来宾们聚集起来参加官方的竣工仪式。能源部长约翰•哈灵顿（John Herrington）及随行的其他能源部官员从华盛顿远道而来，他赞扬了利弗莫尔实验室课题组的工作。但是这次不是大家一直所期盼的欢庆仪式。

20世纪80年代中期的政治气候完全不同于十年前。罗纳德·里根(Ronald Reagan)于1981年入主白宫，大规模削减公共开支。70年代高油价和对可替代能源那种疯狂的追求现在只是一段记忆。所以，就在祝贺利弗莫尔的成就过后的一天，能源部对MFTF-B关闭了大门，这台装置还不曾被启动过。几年之后它被当成废料拆卸，直到今天，那些在这台装置上花费了时间和心血的科学家、工程师和技术专家，他们还不知道它是否会有用。

这个故事的教训是什么？核聚变能源不是必然。且不论在它上面已经花费了多少钱，在大砍的预算面前，任何核聚变装置都不是保险的。今天的巨型机器——最近完成的国家点火装置和部分建成的ITER——可能会遭遇与MFTF-B相似的命运。聚变能的探索是昂贵的，只有政治家和公众想要并且需要它，它才会继续下去。