核聚变研究旨在确保能源的未来

到 2040 年，全球电力需求预计将翻一番，随着电气化扩展到新的应用，到 2060 年可能会增加五倍。目前，全球研究人员正在寻求满足这一需求的一种解决方案，即建造能够以零排放改变气候的气体提供电网规模电力的核聚变发电厂。

该技术将复制太阳的过程，太阳通过核聚变将物质转化为数百万年来释放出巨大能量的过程，包括将氢同位素转变为氦原子。众所周知，自然界中的一切都趋向于势能最小的状态，我们都趋向于理想的静止状态。距离地面 1 米的物品放开会掉到地上；即，它将被吸引到一种势能最小的状态——在这种情况下，是引力能。

尽管原子水平的势能具有不同的性质，但一切都以相似的方式起作用。在聚变反应中，两种同位素的原子核融合，使它们都进入较低的能量状态，释放出多余的能量。然而，聚变反应需要非常高压和高温的环境，以使原子核在等离子体状态（即物质的第四态）中彼此足够接近。

给定元素的同位素因中子数而异。氢原子的原子核由单个质子产生，氢同位素因其他粒子而异：氘的原子核有一个质子和一个中子，氚有两个中子，氢 4 有三个中子，依此类推。

在将质量转化为能量时，核聚变反应使用爱因斯坦的比率：E = mc 2。带正电的原子核往往会相互排斥，因此氢原子核必须能够非常接近其他仍有质子的氢原子核才能实现聚变目标。这允许核力将它们结合在一起，从而产生更重的粒子。

温度和等离子

高温会热搅动粒子，由此产生的无序运动可以帮助它们结合。如果它们带正电，它们会相互排斥，因此需要达到至少 1 亿摄氏度的温度才能发生聚变。由于难以找到用作容器的合适材料，因此难以达到如此高的温度。

然而，加热含氢气体所需的极高热量（以及因此的能量）会将电子从其原子核中拉出，使其仅带有正电荷（电离）。此外，在这些温度下，氢气将有两个独立的电流——一个是负的，来自从原子核中撕裂的电子，另一个是正的，来自幸存的质子——并且气体会变成等离子体。磁场会影响在这个位置产生的电流。只有磁场才能将等离子体捕获并限制在其线圈中，使其远离安全壳壁。

称为托卡马克的磁约束反应堆使用环形（甜甜圈形）容器结构。

虽然需要大量能量来产生等离子体并保持它被控制住，但核聚变产生的能量超过了获得它所消耗的能量。增益因子是获得的能量与浪费的能量 (Q) 的比例。等离子体在较长时间内保持稳定（即被包含在内）也很重要。温度和约束持续时间是展示核聚变潜力的关键标准。

在托卡马克反应堆中，热等离子体流被封闭在环形容器内，被磁场包裹、囚禁和控制（就像那些引导在大型加速器中运行的高温粒子束的磁场一样）。

在聚变反应堆中，只有自然界中最基本的元素氢相互作用。它的能源过程不产生废物、危险产品、放射性废物或其他化学品，因为不使用碳氢化合物、煤等化学成分或铀等重元素。聚变的唯一结果是氦，它是一种轻质、惰性和安全的气体。

在聚变发电厂中，放射性仅限于处理由已经在运行的中子通量激活的反应堆材料，以及氚的储存（在 12 年内衰变），这种操作涉及现在很常见的轻放射性同位素在每家使用同位素进行诊断和治疗的医院或服务中。最后，与裂变反应不同，核聚变过程不会以链式方式运行：如果不提供等离子体流，反应将停止。

只需关掉电源。从而实现了本质安全和被动安全的概念。

融合技术

Helion Energy 的 Trenta 原型在聚变条件下合并和压缩高 β 场反转配置 (FRC) 氘等离子体，在高于 8 keV 离子温度和1-keV 电子温度。2018年，其第五代样机产生7T磁场，高密度离子温度达到2keV。

该系统由磁铁组成，可将两个 FRC 从 40 英尺加速器的两端加速到 100 万英里/小时。之后，他们在中间发生冲突。当 FRC 在系统核心相遇时，磁场会压缩它们，直到它们达到聚变温度。氘和氦 3 离子在此温度下快速移动，克服排斥它们的力，使离子结合或融合。结果，能量被释放，等离子体膨胀，推动磁场。场的变化导致电流流动，从而产生电力，用于为电力负载供电（图 1）。

FRC 设备以自稳定环面的形式将等离子体限制在闭合磁场线上。与 spheromak 一起，它们被认为是紧凑型环形聚变装置的一部分。FRC 设备通常比 spheromak 具有更细长的等离子体。

图 1：Helion 系统框图（来源：Helion Energy）

ITER多国聚变研究项目使用的反应堆是托卡马克设计的。托卡马克的环形真空室是它跳动的心脏。真空室没有空气和污染物。磁铁保持和调节等离子体，等离子体在引入气体燃料之前被充电。当大电流通过容器时，气体会发生电分解，当电子从原子核中剥离时被电离，并产生等离子体。

ITER 使用超导磁体来限制等离子体（环形场线圈）并保持其形状和稳定性（极场线圈）。一个磁笼将等离子体与安全壳隔开。在 68,000 A 的驱动下，磁场可能达到 11.8 T，接近地球磁场的 250,000 倍。

每块磁铁的大小为 17 × 9 米，重 320 吨。

图2：ITER施工现场（来源：F4E）

其他聚变组件包括真空容器，一种用于在真空中容纳聚变反应的双壁容器。低温系统冷却磁体并达到理想的真空条件。远程处理系统使用人工辅助机器人和虚拟现实来监控、维护和更换组件。诊断系统监测托卡马克等离子体性能。

TAE Technologies 成立于 1998 年，是加州大学欧文分校的私人控股子公司，拥有专有的融合方法。与其他试图利用太阳能发电过程的技术相比，该方法使用了一种产生和限制等离子体并在更高温度下运行的机制，以实现具有更高稳定性和更高安全性的聚变。

TAE 的概念源于希望克服传统托卡马克反应堆面临的挑战，例如氘氚处理技术的必要性、氚稀缺性以及超导磁体的尺寸和成本。TAE 反应器由氢和硼驱动。在氢硼聚变中只产生三个氦核（称为 α 粒子）和 X 射线，它们的能量用于为涡轮机提供动力。

TAE Technologies 的工程师和科学家在加州实验室工作，但在全球范围内，TAE 拥有 250 名专门从事反应堆开发和核聚变技术的员工。该公司已从包括 Google、NEA、Venrock 和 Wellcome Trust 在内的机构投资者以及家族基金会 Addison Fischer、Samberg Family 和 Charles Schwab 等机构投资者那里筹集了超过 8.8 亿美元的私人资金。

图 3：TAE 技术（来源：TAE Technologies）

General Fusion 使用称为磁化目标聚变 (MTF) 的等离子体约束方法，该方法依赖于在脉冲基础上运行的简单电磁体来实现聚变。该过程可以在一个循环中重复。

它是这样工作的：

• 容器中装满液态金属，将其旋转直至金属形成空腔。• 氢等离子体被注入到产生的空腔中。• 等离子体被压缩并加热到超过 1 亿摄氏度，然后发生聚变。

MTF 等离子注射器由电磁铁供电。由于旋转运动，注射器会产生一个等离子体环，该环会产生磁场，从而形成一团粒子。等离子环被压缩到应该发生核聚变的温度和压力。等离子粒子沿着磁场线移动，然后在不与墙壁碰撞的情况下循环。磁场防止热聚变等离子体与液态金属碰撞并冷却。随着等离子核心升温，磁场起到良好的热绝缘体的作用。

根据 General Fusion 的说法，MTF 有四个关键优势：

•材料耐用性。液态金属衬里保护 MTF 结构免受聚变反应释放的中子的影响，克服了面向等离子体材料的结构损坏问题。

•燃料生产。融合过程首先用液态金属填充罐，旋转金属直到形成空腔。General Fusion 将氢等离子体注入空腔。

•能量转换。在试点工厂中，热量将从金属中提取并用于制造蒸汽。蒸汽将驱动涡轮机并产生电力。

•能源经济学。General Fusion 声称 MTF 易于制造和扩展，因为它使用简单的电磁体并且不需要昂贵的激光器。

图 4：过热等离子体是实现聚变能量的关键。（来源：通用融合）

与此同时，First Light 使用基于惯性约束的技术，其目标是通过快速压缩聚变燃料并利用燃料的惯性来维持这些条件足够长的时间以激活聚变反应来实现聚变条件。

很难完善需要将原子加热到太阳温度更长一段时间的过程，特别是如果原子必须长时间保持在该温度下。First Light 通过将燃料引向快速射弹来缩短保持温度恒定所需的时间；结果，融合过程发生在几分之一秒内。First Light 认为它的方法将避免聚变反应堆建造中一些最困难的方面。

时间表

如此处所述，沿着几条研究路线前进，全球为实现可行的基于聚变的电力所做的努力预计将在一到二十年内取得成功。那是一段相当短的时间，我们记得最早对聚变的科学研究可以追溯到 1930 年代，托卡马克解决方案诞生于 1950 年代。

审核编辑 黄昊宇