在新泽西州普林斯顿大学东北三英里处的一个由不起眼的白色建筑组成的小园区里，普林斯顿等离子体物理实验室中，一颗微型太阳瞬间亮起。在一团盘根错节的电线和红色铜线圈中，一个由氢原子核和电子组成的等离子体球加热到7000万华氏度。等离子体像超新星一样炽热地燃烧，然后瞬间熄灭。尽管整个过程持续不到500毫秒，但物理学家小野正幸似乎很满意。“对等离子体来说，这是很长的时间；粒子在一百毫秒内做了很多事情，”他说。
将一团核聚变等离子体束缚成去核苹果的形状，可能是制造可行的核聚变反应堆的关键。图片由美国能源部核聚变能源科学办公室提供
作为国家球形环面实验项目的主任，小野从事的是一项充满乐观精神的事业。他正在寻找一种实用的方法来利用核聚变，即导致恒星燃烧的过程。如果他成功了，我们的能源忧虑就结束了。核聚变反应威力巨大，几乎不产生污染。核聚变反应堆的燃料是氢，可以从一杯普通海水中提取。但有一个大问题：尽管经过50年的努力，试图使核聚变具有商业可行性，但没有人能够启动一个反应，使其持续运行并将其控制住。然而现在，就在美国寻求替代进口石油之际，小野和其他核聚变研究人员坚称他们离成功越来越近了。
世界各地的物理学家们在如何利用核聚变动力方面基本达成共识：将氢等离子体困在磁场中——大多数核聚变实验使用一种甜甜圈形的磁瓶，称为托卡马克。将温度提升到大约1.8亿华氏度。然后坐下来，让自然发挥作用。在这些条件下，氢原子核以极大的力相互碰撞，有时会结合并聚变成氦，以快速移动的中子形式释放出巨大的能量。
核聚变的关键在于输出的能量要大于输入的能量，但目前还没有人成功做到这一点。1994年，普林斯顿等离子体物理实验室耗资3亿美元、体育馆大小的托卡马克聚变试验反应堆产生了创纪录的1070万瓦电力，但它仍在亏损运行。位于英国牛津附近的联合欧洲环面反应堆表现更好，但仍未达到神奇的收支平衡点。“我们已经将理论变为现实，但却以能量赤字的形式，而且只持续了几秒钟。如果我们想要廉价电力，我们需要让它24小时不间断运行，”普林斯顿实验室主任罗布·戈德斯顿说。
十七年前，普林斯顿物理学家马丁·彭（Martin Peng）思考了这些问题，并提出理论，认为一个呈球形环面状（类似于去核苹果）的磁瓶，可以用比托卡马克更少的能量产生相同的功率输出。这种苹果状反应堆需要更小的磁体，建造成本也更低。最重要的是，这种环面可以使等离子体保持更紧密的结构，使核聚变更容易实现。
彭的愿景以耗资2500万美元的国家球形环面实验（National Spherical Torus Experiment，简称NSTX）的形式实现，该实验于1999年开始运行。该机器有12个长而弯曲的磁体，从上到下环绕在外围，并在核心处有一个圆柱形的磁体阵列。这些磁体将一个氢等离子体球体限制住，同时微波脉冲将粒子加热到数百万度。反应室内部衬有2700块石墨瓦片和众多传感器，用于测量等离子体的密度和温度。目前，该反应堆的试运行温度还不足以实现大量核聚变，但它们揭示了球形环面中等离子体行为的许多信息。
到目前为止，消息是好消息。NSTX的效率是早期反应堆的两倍，达到了25%的β值——即等离子体压力与机器产生的磁场压力之比。“我们正在以更少的投入获得更大的回报，”彭说。此外，球形磁瓶还有一个意想不到的好处：在某些情况下，系统的能量束缚能力随着等离子体压力的增加而提高。而对于传统的托卡马克，情况通常相反。“等离子体具有一种自我修复的特性，可以对抗不稳定性，”小野说。
在英国，一台互补的机器，耗资1500万美元的巨型安培球形托卡马克（Mega Amp Spherical Tokamak，简称MAST），正在为球形设计提供额外的支持。管理该项目的英国原子能管理局的艾伦·赛克斯（Alan Sykes）最初是受到彭在20世纪80年代中期的一次演讲的启发。赛克斯用另一台核聚变机器的备件制造了一个小型原型，并获得了令人鼓舞的结果。“现在MAST正在解决细节问题，”他说。一个主要目标是减小环面中心磁体柱的大小，以缩小反应堆的尺寸，这将显著降低建设成本。
在普林斯顿的一个核聚变反应堆原型中，红色磁体将等离子体固定在原位，同时微波将其加热到数百万度。图片由普林斯顿等离子体物理实验室提供
当英美两国团队考虑更小、更便宜的方案时，一项国际核聚变合作项目却走向了另一个方向。计划中的国际热核实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor）如果建成，可能会是第一台产生大量富余核聚变能量的机器。该反应堆高达60亿美元的惊人造价，促使美国几年前退出了该项目。即使燃料免费，一座耗资60亿美元的发电厂也无法实现商业化。MAST和NSTX指出了一种成本较低的方法，但两者都远未达到收支平衡，更不用说产生任何可用的剩余能量了。
华盛顿世界观察研究所所长克里斯托弗·弗拉文质疑核聚变能否摆脱其作为昂贵奇物的历史。“后化石燃料时代将在核聚变出现之前定义，”他说。核聚变是一项集中式业务，这意味着政府是唯一为此投入资金的机构。弗拉文认为世界正在走向分散式、可再生能源，如太阳能、风能、生物质能和燃料电池。可再生能源目前占美国能源总量的8%，但弗拉文认为到本世纪中叶，它们可能会上升到50%，核聚变的空间所剩无几：“我不会排除它，但它是最渺茫的选择之一。”
到目前为止，联邦政府仍在坚持其赌注。能源部每年稳定地投入2.5亿美元用于核聚变研究。其中最大的一笔，约7000万美元，拨给了普林斯顿。五月，布什总统的国家能源政策支持将核聚变能源发展为下一代能源。而罗布·戈德斯顿仍然满怀憧憬。尽管他预计到2050年才会有商用核聚变反应堆，但他认为这完全没问题。他正在为遥远的未来做准备，那时化石燃料已经耗尽或因全球变暖而不再被接受，而仅靠可再生能源无法提供足够的电力。
“到2100年，反应堆可以供应美国约一半的电力，”戈德斯顿说。“这是一个长期问题。”
普林斯顿等离子体物理实验室维护着一个内容丰富的网站，其中包含一般核聚变资源和实验室实验信息（www.pppl.gov），以及第二个以教育为导向的网站（fusedweb.pppl.gov）。
英国原子能管理局（www.fusion.org.uk）提供补充信息和英国对核聚变研究的看法。
