我们这个高速工业化的世界对能量充满永无止境的饥渴，但传统能源却日渐枯竭。丹尼尔·克利里在这本具有深刻启发性的著作中提出，解决这一困境的方法可能来自那个最原始的能量之源：太阳本身。在那里，在它的中心，每秒6．2亿吨氢的聚变产生出难以估算的巨大能量。在地球上哪怕只复制太阳能量的很小一瓣，我们也能确保自己所需的全部热与能。

核聚变科学家们简单但却异乎寻常的雄心已经饱受质疑，但是，丹尼尔·克利里著的《一瓣太阳--可控核聚变的寻梦之旅》明确指出，大规模核聚变在科学上是可能的——甚至也许比其他选择更胜一筹。克利里充满激情和说服力地强调，阻止我们利用这一廉价、清洁和可再生能源的只有我们自己的犹疑。

丹尼尔·克利里著的《一瓣太阳--可控核聚变的寻梦之旅》是“科学的力量”系列丛书中的一本。作者用生动活泼的笔调、精炼简洁的语言，展现了人类在探索核聚变过程中一系列振奋人心的发现和突破、令人失望的困难和挫折，以及它给科学家带来的巨大喜悦和痛苦。本书共分为8章，每一章都是一个独立鲜活的故事，融合了历史、政治和技术等方方面面的内容，可以让读者更深刻地理解科学研究背后的决定因素。在地球上复制一丁点太阳的能量，就可以满足人类所需的所有的能量。作者雄辩地证明，人类应该继续进行核聚变反应，因为只有核聚变才可以从根本上解决人类能源短缺的难题。

第1章 为什么是聚变？

第2章 英国：托曼与箍缩装置

第3章 美国：斯皮策与仿星器

第4章 俄国：阿尔齐莫维奇和托卡马克

第5章 托卡马克异军突起

第6章 激光聚变

第7章 一个大装置

第8章 若非此时，更待何时？

致谢

译后记

这样，在一个恒星的生命周期里，聚变以氢为原材料，将它锻造成周期表中的所有其他元素。而当恒星最终爆炸时，它将这些元素散播到太空中。在那里，它们与新的氢混合，并慢慢结合成新的恒星和行星。因此，这些第二代恒星和它们周围形成的伴随行星中都含有元素的混合物，这使一些行星形成了岩石表面、海洋、大气和生命。除氢之外，你身体中的每一个原子都是在某颗恒星的漫长死亡过程中经由聚变创造的。

为了搞清楚究竟是什么使太阳和所有其他恒星发光，从19世纪下半期到20世纪早期，科学家一直在研究。令他们困惑的是，太阳如何能够在数十亿年间不断释放出如此巨大的能量而不会出现燃料短缺。到20世纪30年代后期，他们已经弄清了上述聚变反应的大致细节，并得出了自己的答案。这个答案将一颗思想的种子植入了一些人的头脑之中。由于第二次世界大战，这颗种子的萌发滞留了一段时间。但是，战争结束之后，它很快开始发芽。这颗种子是什么？它是这样一种想法：如果聚变在数十亿年间为太阳提供能量，那么，在能够加以控制的情况下，它是否同样能为地球提供无尽的能量？古希腊神话人物普罗米修斯(Prometheus)从神那里盗取火种，并把它交给人类，导致了进步、技术和文明。科学是否能“盗取”太阳的能量，并在地球上将它重新点燃，以此为全人类造福？

普罗米修斯的下场很惨——他因为自己的罪过而被链子永远锁在了一块岩石上。战后科学家们不用去担心那图谋报复的宙斯(Zeus)。事实上，他们认为驯服聚变会比较容易。恒星使它看起来似乎很容易：使足够多的氢聚集成团，施加引力，聚变就……发生了。然而在地球上可没有像恒星上那样容易实现的有利条件，其中就包括那种等效于千万个地球的重力，它能够对核心形成挤压，将氢加热和压缩至聚变温度。科学家不得不寻找其他某种方式来实现对氢的加热和压缩——这究竟会有多难？

尽管战争年代是灾难性的，但期间还是产生了一些技术奇迹。刚开始，一些人仍然在马背上作战，但很快战争中大量使用了快速移动的装甲坦克、远程空中轰炸机、巨型航空运输机以及潜艇。到了战争后期，还出现了能攻击几百英里外目标的火箭、喷气引擎飞机，以及最重要的——一种能摧毁整座城市的炸弹。战后，在一些科学家中弥漫着一种乐观情绪。既然他们在6年的战争时期都能取得如此多的成就，那么想象一下他们在和平时期该能做些什么。

其中之一就是发展核能。不过这并不是聚变，而是另外一种核反应，投掷在日本广岛和长崎的原子弹所利用的反应过程——裂变。裂变，从某种意义上来说是聚变的逆过程。在裂变中，我们所知道的一些最大的核，比如铀，分裂成两个新的核。这个起始核比裂变反应后得到的碎片稍重一些，那部分消失的质量在反应过程中转化成了能量。与聚变不同，裂变无需高温触发，大的核被高速运动的中子击中后很容易分裂。这是在：1938年的新发现，一些核分裂时会附带产生中子，从而导致一种链式反应的开启：一个核被一个中子击中，它分裂并射出两个中子；这两个中子击中两个新核又射出四个中子，以此类推。这种链式反应使原子弹——裂变炸弹成为可能：如果你集合了一堆像是铀或者钚这样的所谓可裂变物质，且超过某一临界量，链式反应就会自发开始并失去控制，在一瞬间发生爆炸。

在加入曼哈顿计划(第二次世界大战期间盟军的原子弹研制计划)的科学家们制造出原子弹之前，他们在世界上第一座反应堆中以一种可控的方式测试了链式反应。该反应堆是秘密建设的，就位于芝加哥大学(University of Chicago)体育场所在的施塔格足球场(Stagg Field)底下的一个壁球场内，被称为芝加哥1号堆，因为组成它的是一堆铀和石墨块。反应堆的建设由恩里科·费米(Enrico Fermi)领导，他是一位著名的意大利裔美国物理学家。石墨吸收中子以减缓裂变反应。反应堆中的石墨块是经过精心设计而特别排列的，既保证有足够多的铀彼此足够接近，以维持链式反应，同时又不足以让它失控并发生爆炸。反应堆周围既没有辐射屏，也没有采取措施防止可能的爆炸——费米认为无须如此，他对于自己的计算足够自信。1942年12月2日下午3点左右，费米的助手们从反应堆中心慢慢拉出一根石墨控制棒。按照计算，在反应堆中，这点石墨量的减少恰好能允许链式反应开始。费米盯着一台中子计数器，看到中子数量随着控制棒被抽出开始上涨。在一群显要人物的见证下，费米启动了第一次可控核反应，持续了近半个小时，然后重新插入控制棒中止反应。

战争结束之后，工程师们在第一时间内将这项技术投人商业用途。第一座用来发电的核反应堆于1951年在美国建成，第一个向电网供电的反应堆则于1954年在苏联建成，第一座真正的商用核电站于1956年在英国开始运转。在那时，许多人预期核动力发电是廉价且无限的。但是，将裂变用作能源仍存在问题。

第一，铀是一种有限的资源，一些预测说在21世纪结束前铀就可能变得非常稀缺。

第二是安全问题：因为裂变反应堆依靠链式反应，反应的运行可能会过速，而反应堆则可能会因此而过热。反应堆虽然不会像原子弹那样引起核爆炸，因为其内部的可裂变物质太过分散；但是它会导致过热并熔化核芯——就像1979年发生在三哩岛的事故，或引起火灾——就像1986年发生在切尔诺贝利的事故。反应堆中包含有数吨的铀或钚燃料，并且在运行一段时间后还要产生许多放射性废燃料，其中一些对人危害极大。当事故发生时，危险的是这种放射性物质的扩散范围又远又广。在三哩岛，这些物质的扩散受到了控制；但在切尔诺贝利却没有。  P4-6

科学是技术进步和社会发展的源泉，科学改变了我们的思维意识和生活方式；同时这些变化也彰显了科学的力量。科学技术飞速发展，知识内容迅速膨胀，新兴学科不断涌现。每一项科学发现或技术发明的后面，都深深地烙下了时代的特征，蕴藏着鲜为人知的故事。

近代，科学给全世界的发展带来了巨大的进步。哥白尼的“日心说”改变了千百年来人们对地球的认识，原来地球并非宇宙的中心，人类对宇宙的认识因此而发生了第一次飞跃；牛顿的经典力学让我们意识到，原来天地两个世界遵循着相同的运动规律，促进了自然科学的革命；麦克斯韦的电磁理论，和谐地统一了电和磁两大家族；戴维的尿素合成实验，成功地连接了看似毫无关联的有机和无机两个领域……

当前，科学又处在一个无比激动人心的时代。暗物质、暗能量的研究将搞清楚宇宙究竟由什么东西组成，进而改变我们对宇宙的根本理解；干细胞的研究将为我们提供前所未有的战胜疾病的方法，给我们提供新的健康细胞以代替病变的细胞；核聚变的研究可以从根本上解决人类能源短缺的问题，而且它是最清洁、最廉价和可再生的……

以上这些前沿研究工作正是上海教育出版社推出的“‘科学的力量’科普译丛”(第二辑)所收入的部分作品要呈现给读者的。这些佳作将展现空间科学、生命科学、物质科学等领域的最新进展，以通俗易懂的语言、生动形象的例子，展示前沿科学对社会产生的巨大影响。这些佳作以独特的视角深入展现科学进步在各个方面的巨大力量，带领读者展开一次愉快的探索之旅。它将从纷繁复杂的科学技术发展史中，精心筛选有代表性的焦点或热点问题，以此为突破口，由点及面来展现科学技术对人、自然、社会的巨大作用和重要影响，让人们对科学有一个客观而公正的认识。相信书中讲述的科学家在探秘道路上的悲喜故事，一定会振奋人们的精神；书中阐述的科学道理，一定会启示人们的思想；书中描绘的科学成就，一定会鼓舞读者的奋进；书中的点点滴滴，更会给人们一把把对口的钥匙，去打开一个个闪光的宝库。

科学已经改变、并将继续改变我们人类及我们赖以生存的这个世界。当然，摆在人类面前的仍有很多的不解之谜，富有好奇精神的人们，也一直没有停止探索的步伐。每一个新理论的提出、每一项新技术的应用，都使得我们离谜底更近了一步。本丛书将向读者展示，科学和技术已经产生、正在产生及将要产生的乃至有待于我们去努力探索的这些巨大变化。

感谢中科院紫金山天文台的常进研究员在这套丛书的出版过程中给予的大力支持。同时感谢上海教育出版社组织了这套精彩的丛书的出版工作。也感谢本套丛书的各位译者对原著相得益彰的翻译。

是为序。

南京大学天文与空间科学学院教授  中国科学院院士

发展中国家科学院院士

法国巴黎天文台名誉博士

方成

2015年7月

从20世纪40年代到本世纪最初十余年中，全世界的科学家、研究机构和政府在可控核聚变能量方面进行了艰苦曲折的探索。本书以简洁的语言对这一段历史进行了比较全面的叙述，不仅通俗地解释了可控核聚变以及各种聚变装置的发现与发明的过程及其科学原理，而且讲述了这一过程中科学、技术、工程、政治、经济、军事与外交等因素之间复杂的互动关系。作者既广泛利用了大量的文献和档案，又对相关的科学家、工程技术人员以及政府官员进行了大量访谈，从而透露了不少背后的故事。在现代社会中，能源问题已经成为全人类所面临的重大挑战，可控核聚变为我们提供了一种最具吸引力的可能应对方式，而本书则为较全面地了解可控核聚变探索的历史提供了一个非常好的起点。

本书是中国科学技术大学科技史与科技考古系2015年上半年“西方科学史前沿”课程的阅读材料。参与课程的研究生对可控核聚变的历史进行了分工调研和课堂讨论，并开展了对本书的初步翻译。具体分工为：第一章，张乃乙(中国科学技术大学科技史与科技考古系硕士生)；第二章，吴国伟(中国科学技术大学核科学技术学院博士生)；第三章，陈婷(中国科学技术大学科技史与科技考古系博士生)；第四章，叶雪洁(中国科学技术大学科技史与科技考古系博士生)；第五章前一半，冯竞超(中国科学技术大学核科学技术学院博士生)；第六章，吴忠霞(中国科学院北京生命科学研究院博士生)；第七章，李晓兵(中国科学技术大学科技史与科技考古系博士生)；第八章，王亚伟(中国科学院上海光学精密机械研究所硕士生)。在此基础上，本人用四个月时间对初译稿进行了非常仔细的核对和修改，同时翻译了第五章后半部分，并对部分不能采用的初译稿进行了重译，又进行了统一润色。由于本人学识所限，翻译中必定会存在不少问题，欢迎广大读者批评指正。作为主译，本人对这些问题承担责任。

石云里

2015年11月22日

一场长达数十年的失望与希望交织的过山车之旅

——NBCnews.com

通过对前沿科学非常清晰地解说……克利里阐明了对聚变进行大规模投资的原因，因为这是全世界迫切需要的一种可替代能源。

——《书目》(Booklist)

对有兴趣了解聚变历史的人来说，这是一本没有废话、只有干货的顶尖之作。

——《科学新闻》(Science News)