关于聚变能的五大理念

在核聚变反应堆商业化的过程中

创业公司、大学和大型企业百舸争流━━━━有一个笑话和笑话里的梦想存在了同样长的时间：距核聚变能的实现还有30年……总是还有30年。80多年以前，澳大利亚物理学家马克•奥利芬特（Mark Oliphant）首次观察到氘原子聚变并释放出大量能量，如今终于到了更新这个笑话时间的时候了。 在过去的几年里，拥有令人钦佩的员工且资金充足的初创公司、大学项目团队和大公司工程团队等20多个研究小组，在受控核聚变方面取得了令人惊叹的巨大进展。他们正在建造的聚变反应堆完全不同于传统设计，向采用托卡马克（一种巨大的环形磁性容器装置）和高能激光的主流核聚变方法提出了挑战。 更重要的是，其中一些小组还预测，核聚变将在未来5年内达到重要的里程碑，例如达到盈亏平衡点，即产生的能量超过用于引发反应的能量。而采用传统托卡马克装置和高能激光方法的主流项目已经苦干了几十年，花费了数十亿美元都没有达到盈亏平衡，这么短的时间着实令人震撼。 在美国马萨诸塞州剑桥市，附属于麻省理工学院的联邦聚变系统的相关研究人员表示，最新设计反应堆有望在2025年之前实现盈亏平衡。在英国，牛津大学旗下的黎明核聚变公司（First Light Fusion）声称将在2024年实现盈亏平衡。在南加州，初创公司TAE技术发布了一项机器野心勃勃的五年计划，将其聚变反应堆商业化。 这是一种非理性繁荣吗？也许是。核聚变是最昂贵的研究项目之一，需要大量的现金投入来支撑实验室的电费。在寻求投资的过程中，夸大未来的成就具有很强的诱惑力。在过去，人们一再地对突破充满期望，却一再地失望。而如今已经出现了变化，高速计算、材料科学及建模和仿真领域的发展正在帮助研究人员克服曾经难以突破的技术障碍，大量资金正流入这一领域。 一些新的聚变项目正在使用最新一代的超级计算机，以更好地理解和调整超高温等离子体。在超高温等离子体中，氢原子核聚变形成氦。一些聚变项目则重新开启具有潜力但被搁置了几十年的研究路线。还有一些公司正在开发新型超导体，或者将主流概念融合到一起。

虽然他们有强大的工具和创新方法，但许多投资都将面临失败。不过，即便只有一家能成功地建造一个可以有效发电的反应堆，也将从根本上改变人类文明的进程。在理论上，聚变反应中最常用的氢同位素，只需1克即可产生与11吨煤相同的能量，而氦是唯一的副产品。

随着气候变化的加剧和电力需求的激增，核聚变有望成为一种零碳、低废物的电力来源，这种电力相对清洁，不存在熔毁或武器化风险。这种充满诱惑的可能性让核聚变梦想延续了几十年。在这些斗志昂扬的初创公司中，能有一家最终成功将核聚变变为现实吗？━━━━在不久前，核聚变能源的前景还相当黯淡，两个最大的工程项目似乎都陷入了停滞。2016年，美国能源部（DOE）承认其耗资35亿美元的国家点火装置（NIF）未能实现用激光“点燃”自稳聚变反应的目标。美国能源部的一份报告建议，NIF研究应该从激光点火转变为确定这种点火的可行性。 同年，美国和其他几个国家的政府开始争论是否停止对国际热核聚变实验堆（ITER）的支持。ITER概念于1985年首次被提出，目前正在法国南部建设的ITER是世界上最大的核聚变实验设施。该设施采用托卡马克装置，利用磁力来限制并封闭启动和维持聚变所需的极热的高能等离子体。但该项目一直受到拖期和成本超支的困扰，目前其投资额已达到最初50亿美元预算的5倍，完工时间将推迟到2035年（即使能够如期建成，按照现行的设计，电厂商业化也还要再过几十年）。NIF和ITER的挫折和巨额开支不仅使资金枯竭，也耗尽了该领域的热情。 随着政府支持大型项目的失败，非主流的聚变能源研究逐渐获得了动力。从事这些新研究的人希望这些规模更小的新颖方法能够加速过去几十年的长期探索。此后，投资者注意到了这一点并将大量资金投入该领域。在过去的5年里，私人资本已经向小型聚变能源公司注入了大约15亿美元。亚马逊的杰夫•贝佐斯、微软的比尔•盖茨和风险投资家彼得•泰尔都在核聚变领域下了重注。洛克希德•马丁公司等大型企业已经启动了自己的小型核聚变项目。 物理学博士杰西•特雷乌（Jesse Treu）职业生涯的大部分时间都花在了投资生物技术和医疗技术初创企业上，他说他在2016年意识到：“聚变能源领域开始出现美妙的发展前景，但资金却跟不上。很明显，私募股权和风险投资是发展这项技术的一种解决方案，这显然是对地球最好的能源解决方案。”他与人共同创立了恒星能源基金会，将核聚变研究人员与资金投入联系起来，并提供支持和倡导。 公共资金也已经开始随着私人资金涌入这一行业：在过去的数十年里，美国能源部将大部分非国防核聚变拨款投向ITER，而现在，它正将部分资金投向主流研究边缘的项目。例如，2020财年联邦预算增加1.07亿美元用于核聚变项目，另外一个研究伙伴计划允许小型企业在美国能源部的国家实验室进行大型实验。

美国政府重新对核能产生兴趣，部分原因是希望跟上中国的步伐所做的权衡需求。最近，中国在暂停了3年之后重新启动了聚变能源项目。中国政府计划2020年在四川省开启一个新的聚变反应堆。同时，中国新奥能源控股有限公司一直在投资海外研究项目，并在美国顶尖科学家的帮助下，在中国中部地区建造一座普林斯顿聚变系统紧凑反应堆。

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对于这些活动和投资来说，核聚变发电仍然是一个棘手的问题。 与核裂变不同，核裂变是将一个大而不稳定的原子核分裂成更小的元素，而聚变反应则是轻量元素（通常是氢）的原子核与足够大的力发生碰撞，聚变并形成一个重元素。在这一过程中，一些质量被释放并转换成能量，也就是爱因斯坦著名的公式：E = mc2。 在我们的宇宙中存在着丰富的聚变能量——太阳和其他稳定的恒星的能量都来自热核聚变，但触发和控制一个自稳聚变反应并利用其发电，这可以说是人类尝试过的最难的工程挑战。 要融合氢原子核，地面上的反应堆设计者要设法克服带正电离子的相互排斥（库仑力），并通过所谓的强核力将它们紧密地捆绑在一起。大多数方法是利用高温，比太阳核心温度1500万摄氏度还高出几个数量级，在这种状态下，物质只能以等离子态存在，脱离原子核的电子在气体云中自由游荡。 但高能量密度等离子体非常不稳定且难以控制。它会蠕动翻滚，试图挣脱束缚，迁移到容纳它的场的边缘，然后迅速冷却并消散。聚变能的大部分挑战都与等离子体有关：如何加热、如何容纳、如何成型和如何控制等。解决挑战的两种主流方法是磁约束和惯性约束。ITER这样的磁约束反应堆试图通过强大的磁场将等离子体稳定在托卡马克装置内。惯性约束法（如NIF法）通常使用激光来快速压缩和内爆等离子体，使其保持足够长的时间并引发聚变反应。 长期以来，科学家们一直认为，创造稳定高能密度的等离子场越大越好。但随着超级计算和复杂模型取得最新进展，研究人员不断解开等离子体性能更多的奥秘，同时开发了新的技巧，处理等离子体无须使用大型复杂机械。 得克萨斯大学核聚变研究所的物理学家小C. 温德尔•霍顿（C. Wendell Horton Jr）是该研究最前沿的研究人员之一。他利用得克萨斯大学的Stampede超级计算机来模拟磁约束反应堆内的等离子流和湍流。“我们正在进行几年前还不可能完成的计算，并及时建立三维等离子体数据模型。”霍顿表示，“现在我们可以看到更细微的细节，而分析理论，甚至是最先进的探针和诊断测量方法都无法实现这一点。这样一来，我们对如何改进反应堆有了更全面的认识。” 霍顿的发现为ITER等大型实验和小型项目的设计提供了信息。“ITER的问题是，不管等离子体表现多好，都仍未找到反应堆自稳的方法。”他说，“等离子体仍然将在几分钟内燃尽，这显然无法解决能源问题。”霍顿和其他研究人员认为，一些小规模的方法更接近实现稳态的反应，可以产生基本负荷电力。 最成熟的核聚变初创公司之一是1998年成立的TAE技术公司（前身为TriAlpha 能源公司），位于加州。 TAE反应堆的设计目的是利用所谓的场反向配置（FRC）来创建一个用自身磁场进行自我约束的漩涡环等离子体。（普林斯顿聚变系统的设计也采用了场反向配置。）TAE反应堆并没有使用氘和氚（大多数聚变反应堆作为燃料的氢同位素混合物），而是向氢化硼燃料中注入高能中性氢粒子束，迫使反应产生阿尔法粒子（电离氦核）。X射线的能量沉积在反应堆安全壳内并产生热量，热能通过传统的热转换系统转换为电能，即将水加热成水蒸气来驱动涡轮机。 氢硼聚变是一种无中子核聚变，这意味着初级反应不会产生破坏性的中子辐射。这一设计方法的主要缺陷是燃料的燃烧需要极高的温度，高达30亿摄氏度。“达到这一温度时，电子会疯狂地产生辐射。”马里兰大学的物理学教授威廉•多兰（William Dorland）表示，“等离子体冷却的速度比加热等离子体的速度要快。”尽管场反向配置装置中等离子体的不稳定性倾向似乎低于其他磁约束方法，但是还没有人证明场反向配置反应堆可以产生稳定的等离子体。

TAE联合创始人兼首席执行官米切尔•宾德尔鲍尔（Michl Binderbauer）表示，公司最新的机器被命名为“Norman”——为了纪念公司联合创始人诺曼•罗斯托克（Norman Rostoker），“其在等离子体封闭和稳定性方面，比前一代机器有显著改进。”这得益于先进的人工智能和机器学习技术，它们通过谷歌开发的前沿算法Optometrist来实现。TAE与谷歌合作改进算法，分析等离子体特性数据，生成创造最理想的聚变条件的变量组合。研究人员在2017年《自然》杂志上的一篇论文中对此进行了描述。

宾德尔鲍尔表示：“我们现在做的事情在10年前是不可能完成的，这正使得学习周期变得越来越快。”

━━━━先进的计算技术也为多年前因预算削减或技术障碍而被放弃的具有发展前景的研究项目注入了新的活力。总部位于温哥华附近的通用聚变公司是由加拿大等离子物理学家米歇尔•拉伯格（Michel Laberge）创立的。拉伯格辞掉了一份利润丰厚的激光打印机开发工作，转而探索一种被称为“磁化靶聚变”（MTF）的技术。该公司吸引了超过2亿美元的投资，包括杰夫•贝佐斯以及加拿大和马来西亚政府的投资。 通用聚变公司的设计结合了磁约束和惯性约束聚变（ICF）的特点。该技术将磁约束等离子燃料的脉冲注入一个充满了熔融铅和锂的涡流球体。反应堆周围的活塞将冲击波推向中心、压缩燃料，迫使粒子发生聚变反应。由此产生的热量被液态金属吸收、产生蒸汽、推动涡轮机旋转并发电。 “你可以把它想象成托卡马克装置的相反状态。”拉伯格说，“托卡马克装置的工作原理是一个大的等离子场，它的密度相对较低。而我们试图通过挤压冲击波来制造一个密度极高的小等离子体。因为场很小而密度很高，因此我们只需将其维持1毫秒，就会发生聚变反应。”

在20世纪70年代，美国海军研究实验室进行了使用活塞系统来触发核聚变的实验。这些实验之所以失败，很大程度上是因为无法精确控制冲击波的时间。拉伯格的团队开发了先进的算法和高度精确的控制系统，可精调冲击波和压缩的速度和时间。

“在20世纪70年代的很多实验中，问题都在于对称性。”拉伯格说，“我们现在已经达到了必需的精确度和力度，所以这部分问题已经解决了。” 使用液态金属可以解决聚变能的另一个主要挑战：中子辐射会腐蚀反应堆的内壁，因此内壁必须经常更换，并作为低放射性废料处理。而液态金属能够保护坚固的外壁不受损坏。液态金属虽然会受到辐射，但不需要定期更换，因此反应堆不会接连不断地产生低放射性废料。 通用聚变公司最新的反应堆已于2018年底首次产生等离子体，这是该设施的核心部分。拉伯格表示，该设施将展示核聚变发电的端对端能力。“现在我们已经成功地创建了一个稳定的、持久的等离子体，我们看到了一个可行的途径，让等离子体产生的能量超过它消耗的能量。”他继续表示，“就商业化而言，我们的时间表是几年，而不是几十年。”

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美国弗吉尼亚州的HyperJet Fusion公司研发了一种类似于通用聚变公司的方法，但未使用活塞，而是利用大约600个等离子枪向反应堆喷射等离子流。喷射的等离子流合并形成一个等离子体外壳，即衬底，然后内爆并点燃磁化的靶等离子体。HyperJet Fusion公司的首席执行官兼首席科学家F. 道格拉斯•威瑟斯彭（F. Douglas Witherspoon）表示，该系统不需要加热系统将燃料加热到聚变温度。“内爆的等离子体衬底包含靶等离子体，并提供能量来提升温度，以达到聚变条件。由于我们使用的等离子体密度比磁约束系统高得多，因此该装置将聚变等离子体的尺寸从米级缩小到厘米级。” 威瑟斯彭表示，与托卡马克装置相比，超喷射聚变公司的方法的优势在于，不需要昂贵的超导磁体来产生巨大磁场，进而约束聚变燃烧的等离子体。 托卡马克装置项目本身也在重新启动，这得益于不同超导材料的使用使磁约束更具可行性。麻省理工学院附属的联邦聚变系统在其Sparc反应堆的磁体中采用了高温超导体钇钡铜氧化物（YBCO）。 联邦聚变系统的联合创始人、麻省理工学院等离子科学与核聚变中心副主任马丁•格林沃尔德（Martin Greenwald）计算得出，Sparc反应堆的YBCO磁铁将能够在其表面产生约21特斯拉的磁场，在等离子体中心产生12特斯拉的磁场，大约是用铌锡制成的托卡马克装置磁场强度的2倍。更强的磁场会对等离子体中的带电粒子产生更强的约束力，从而提高绝缘性，使聚变装置更小、成本更低、性能更好。 格林沃尔德表示：“如果你能够在性能相同的情况下将磁场加倍，同时将装置尺寸减半，那将改变游戏规则。” 事实上，新型小规模聚变项目的一个优势是，它们可以专注于自己设计的创新方面，同时充分利用几十年来来之不易的聚变科学基础理论。正如格林沃尔德所说：“我们认为这种做法将能更快地将核聚变发电站商业化，我们接受围绕ITER实验发展起来的传统物理基础，同时专注于物理学家和磁体工程师之间的合作，几十年来，他们一直在不断刷新纪录。”

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但一些具有发展前景的初创公司并不满足于接受传统观点，他们正在以新的方式应对核聚变的基本物理原理。英国黎明核聚变公司研发了一种比较激进的方法，使用一种新型的惯性约束反应堆来进行核聚变，其设计灵感来自枪虾这种非常嘈杂的甲壳类动物。 枪虾的标志性特征是像手枪一样巨大的鳌，用来震晕猎物。枪虾收起鳌的“锤状”部分，猛击向鳌的另一侧，引起快速的压力变化，产生充满水汽的空洞，称为空化泡。当这些气泡破裂时，在水中产生速度为每秒25米的冲击波，足以猎取小型海洋动物。 “枪虾只是想利用压力波击晕它的猎物。”黎明核聚变公司的联合创始人兼首席执行官尼古拉斯•霍克（Nicholas Hawker）表示，“它并不关心空腔内爆时内部的水汽压缩得如此剧烈，以至于形成等离子体，或者说，它创造了地球上唯一的惯性约束聚变的例子。”等离子体的温度超过4 700摄氏度，同时会产生218分贝的巨响。 霍克在牛津大学的博士论文中，将重点放在了枪虾非同寻常的鳌上。他开始研究，是否有可能模仿并放大枪虾的生理机能，用于点燃发电聚变反应。 黎明核聚变公司与国际工程集团莫特•麦克唐纳（Mott MacDonald）合作，筹集了2500万英镑（约3300万美元），开始建造一个惯性约束聚变反应堆，其中“鳌”由一个金属盘形射弹和一个充满氘氚燃料的方腔组成。射弹撞击产生冲击波，在燃料中产生空化泡。气泡破裂时，燃料被长时间地大力压缩，足以发生聚变。 霍克表示，黎明核聚变公司希望在2020年启动首次核聚变反应，在2024年之前实现净能量增益。但他承认，这些成就还不够。他表示：“聚变能源不仅需要在科学上可行，还必须具有商业可行性。” 没有人认为这是一件容易的事，但是核聚变能量的巨大挑战（更不用说它的迫切需求）吸引许多科学家和工程师进入这一领域。而且他们的工作经费也在不断增加。 TAE技术公司的宾德尔鲍尔说：“你听到的核聚变还要30年、40年或50年的说法是错误的。”他的公司已经筹集了6亿多美元。“我们将在5年内看到这项技术的商业化。” 多兰和霍顿等经验丰富的核聚变研究人员倾向于更加稳妥的观点。他们担心，就像过去一样，无法兑现的宏大承诺可能会削弱公众和投资者的支持。多兰表示，任何在10年内实现商业化的说法“都是不真实的，我们离获得核聚变能源还有很长一段路要走”。 然而，很少有人会反对不久的未来，我们对核聚变的迫切需求。 “我认为，说核聚变正在处于雏鹰展翅阶段并不过分。”麻省理工学院的格林沃尔德表示，“我们没有747喷气飞机，但我们正在飞行。”