核聚变：我们离核聚变更近了吗？

自原子时代伊始，科学家们就一直在追逐利用为太阳提供动力的反应的梦想。对无碳能源的兴趣和投资正在升温。

一个世纪以来的大部分时间里，天文学家和物理学家都知道，一种称为热核聚变的过程使太阳和恒星保持了数百万甚至数十亿年的光芒。自从这一发现以来，他们一直梦想着将这种能源带到地球并用它来为现代世界提供动力。

在气候变化不断升级的今天，这个梦想变得更加引人注目。利用热核聚变并将其输入世界电网可以帮助我们所有排放二氧化碳的燃煤和燃气工厂成为遥远的记忆。聚变发电厂可以提供 日夜流动的 零碳电力，无需担心风或天气，而且没有当今核裂变发电厂的缺点，例如潜在的灾难性熔毁和必须隔离数千个世纪的放射性废物。。

事实上，聚变与裂变完全相反：聚变不是将铀等重元素分裂成较轻的原子，而是通过将氢等轻元素的各种同位素合并成较重的原子来产生能量。

为了使这个梦想成为现实，聚变科学家必须在地面上点燃聚变——但无法获得在太阳核心实现这一壮举的毁灭性重力。在地球上做到这一点意味着将这些轻同位素放入反应堆中，并找到一种方法将它们加热到数亿摄氏度——将它们变成类似于闪电内部的电离“等离子体”，只是温度更高且更难以控制。这意味着找到一种控制闪电的方法，通常是用某种磁场来抓住等离子体，并在它像生物一样扭动、扭曲和试图逃脱时紧紧抓住它。

至少可以说，这两个挑战都是令人畏惧的。事实上，直到 2022 年底，加利福尼亚州耗资数十亿美元的聚变实验才终于获得了微小的同位素样本，以 释放出比点燃它更多的热核能量。这一事件只持续了约十分之一纳秒，必须由 192 个世界上最强大的激光器的联合输出来触发。

这种聚变方法从一个充满氘氚燃料的微小固体目标开始，该目标受到来自四面八方的强烈能量脉冲的撞击。这可以通过用小金属圆柱体围绕目标来间接完成（左）。激光撞击气缸内部，产生 X 射线来加热燃料芯块。激光束还可以直接加热目标（右）。无论哪种方式，燃料芯块都会内爆，所释放的能量会迅速将目标炸散。国家点火装置在所谓的“收支平衡”实验中使用了间接方法，该实验产生的能量比激光传递的能量还要多。但这种聚变方法可能还需要几十年的时间才能成为实用的发电方法。

然而如今，聚变世界充斥着更多实用机器的计划。高温超导体等新技术有望使聚变反应堆变得比以前想象的更小、更简单、更便宜和更高效。更好的是，这几十年来缓慢而顽强的进展似乎已经过了一个转折点，聚变研究人员现在已经有足够的经验来设计等离子体实验，其工作效果与预期基本一致。

南加州核聚变公司TAE Technologies的首席执行官米歇尔·宾德鲍尔 (Michl Binderbauer) 表示：“技术能力时代的到来与这一追求的挑战相匹配。”

事实上，自 1998 年 TAE 成为第一家以来，已有 40 多家商业聚变公司成立——其中大多数是在过去五年内成立的，其中许多公司采用动力堆设计，希望在未来十年左右投入运营。“我一直在想，哦，当然，我们已经达到了顶峰，”安德鲁·霍兰德 (Andrew Holland) 说道，他一直担任 核聚变行业协会 (Fusion Industry Association) 的首席执行官 ，该协会是他于 2018 年在华盛顿特区创立的一个倡导组织。“但事实并非如此，我们不断看到越来越多的公司提出了不同的想法。”

这一切都引起了私人投资公司的注意，它们已向聚变初创企业提供了约 60 亿美元的支持，而且这一数字还在不断增加。新泽西州能源部普林斯顿等离子体物理实验室研究主管乔纳森·梅纳德（Jonathan Menard）表示，新技术和私人资金的结合创造了一种愉快的协同效应，他不是任何聚变公司的参与者。

梅纳德表示，与公共部门相比，公司通常拥有更多的资源来尝试新事物。“有些会起作用，有些则不会。有些可能介于两者之间，”他说。“但我们会找到答案，这很好。”

诚然，我们有充分的理由保持谨慎——首先，到目前为止，这些公司都没有证明它可以产生哪怕是短暂的净聚变能，更不用说在十年内提升到商业规模的机器了。梅纳德说：“许多公司都在我们通常认为不太可能实现的时间表上做出了承诺。”

但他补充道，“我们很高兴被证明是错误的。”

有 40 多家公司试图做到这一点，我们很快就会知道其中一家或多家是否成功。与此同时，为了让大家了解各种可能性，这里概述了每个聚变反应堆必须克服的挑战，并介绍了一些用于应对这些挑战的资金最充足、开发最完善的设计。

融合的先决条件

任何聚变装置面临的第一个挑战是点燃火，可以这么说：它必须采用任何同位素混合物作为燃料，并使原子核接触、融合并释放所有美丽的能量。

这实际上意味着“接触”：聚变是一种接触运动，直到原子核正面撞击时反应才会开始。让这个问题变得棘手的是，每个原子核都含有带正电的质子，并且——物理101——正电荷彼此排斥。因此，克服这种排斥力的唯一方法是让原子核移动得足够快，以便它们在偏转之前碰撞并融合。

这种对速度的需求需要至少 1 亿摄氏度的等离子体温度。而这只是氘和氚（氢的两种重同位素）的燃料混合物。其他同位素混合物必须变得更热——这就是为什么“DT”仍然是大多数反应堆设计中首选燃料的原因。

在聚变反应堆中，轻同位素聚变形成较重的同位素，并在此过程中释放能量。这里显示的是反应堆燃料的四个示例。第一种是 DT，结合了两种重形式的氢（氘和氚）。这种混合物最常见，因为它在最低温度下开始聚变，但氚具有放射性，产生的中子可以使反应堆具有放射性。两个氘核 (DD) 之间的反应进行得更慢并且需要高温。使用氘-氦-3 混合物也不太常见，部分原因是氦-3 稀有且昂贵。也许最诱人的是质子和硼 11 (P-11B) 的混合物。两种同位素均非放射性且含量丰富，而它们的聚变产物稳定且易于捕获以提取能量。

但无论使用哪种燃料，达到聚变温度的追求通常归结为研究人员利用微波或中性原子高能束等外部源泵入能量的努力与等离子体离子尝试辐射能量之间的竞争。能量一接收就尽快消失。

最终目标是让等离子体超过“点燃”温度，此时聚变反应将开始产生足够的内部能量来弥补能量的辐射，并为一两座城市提供电力。

但这只是导致了第二个挑战：一旦火被点燃，任何实际的反应堆都必须保持它的点燃——比如，限制这些过热的原子核，使它们足够接近，以在足够长的时间内维持合理的碰撞率，从而产生有用的能量流。

在大多数反应堆中，这意味着保护气密室内的等离子体，因为杂散空气分子会冷却等离子体并猝灭反应。但这也意味着使等离子体远离腔室壁，腔室壁比等离子体冷得多，最轻微的接触也会终止反应。问题是，如果你试图用非物理屏障（例如强磁场）使等离子体远离墙壁，离子流将很快被等离子体内的电流和场扭曲并变得无用。

也就是说，除非你非常小心和聪明地塑造了这个领域——这就是为什么各种限制方案导致了反应堆设计之间一些最显着的差异。

最后，实用的反应堆必须包括某种提取聚变能并将其转化为稳定电流的方法。尽管应对最后一项挑战从来不乏想法，但细节关键取决于反应堆使用的燃料混合物。

例如，对于氘氚燃料，反应以称为中子的高速粒子的形式产生大部分能量，中子不能被磁场限制，因为它们不带电荷。由于缺乏电荷，中子不仅可以穿过磁场，还可以穿过反应堆壁。因此，等离子体室必须被一个“毯子”包围：厚厚的一层重材料，如铅或钢，可以吸收中子并将其能量转化为热量。然后，这些热量可以用来煮水，并通过传统发电厂使用的相同类型的蒸汽涡轮机发电。

聚变发电厂可以使用几种不同反应堆类型中的一种，但它将像化石燃料发电厂或核裂变反应堆一样将聚变能转化为电能：来自能源的热量将使水沸腾产生蒸汽，蒸汽将流经蒸汽涡轮机，涡轮机将转动发电机将电力输送到电网。

许多DT反应堆设计还要求在包层材料中加入一些锂，以便中子与该元素反应产生新的氚核。这一步至关重要：由于每次DT聚变事件都会消耗一个氚核，而且这种同位素具有放射性，自然界中并不存在，如果不利用这个机会补充燃料，反应堆很快就会耗尽燃料。

DT 燃料非常复杂，以至于一些更大胆的聚变初创公司选择了替代燃料混合物。例如，宾德鲍尔的 TAE 的目标是许多人认为的终极聚变燃料：质子和硼 11 的混合物。这两种成分不仅稳定、无毒且丰富，而且它们唯一的反应产物是三个带正电的氦 4 原子核，其能量很容易被磁场捕获，而不需要毯子。

但替代燃料提出了不同的挑战，例如 TAE 必须将其质子-硼-11 混合物提高到至少 10 亿摄氏度的聚变温度，大约比 DT 阈值高 10 倍。

等离子甜甜圈

这三个挑战的基础知识——点燃等离子体、维持反应和收集能量——从聚变能研究的早期就已经很清楚了。到了 20 世纪 50 年代，该领域的创新者开始想出许多方案来解决这些问题，但在 1968 年苏联物理学家公开了一种他们称之为托卡马克的设计后，大多数方案都被搁置了。

与一些早期的反应堆概念一样，托卡马克的等离子体室类似于空心甜甜圈，这种形状允许离子无限循环而不会撞击任何物体，并通过缠绕在外部的载流线圈产生的磁场来控制等离子体离子甜甜圈的。

但托卡马克装置还配备了一组新的线圈，可以使电流直接穿过等离子体在甜甜圈周围循环，就像圆形闪电一样。这种电流给磁场带来了微妙的扭曲，这对稳定等离子体起了很大的作用。虽然这些机器中的第一台仍然无法达到动力反应堆所需的温度和限制时间，但结果比以前看到的要好得多，以至于聚变世界几乎全部转向了 托卡马克。

托卡马克反应堆（左）和称为仿星反应堆的相关设计（右）都用电磁线圈（蓝色和红色）产生的磁场（紫色）来限制超热等离子体（黄色）。对于最常见的反应堆类型托卡马克，这些线圈还会启动流经等离子体的电流，这有助于保持反应稳定。仿星器设计同样将等离子体限制在气密的甜甜圈内，但通过使用一组更复杂的外部线圈（蓝色）控制等离子体，消除了对甜甜圈循环电流的需要

从那时起，全球范围内已建造了 200 多个不同设计的托卡马克，物理学家对托卡马克等离子体有了很多了解，他们可以自信地预测未来机器的性能。这种信心就是为什么一个由资助机构组成的国际财团愿意投入超过 200 亿美元来建造 ITER（拉丁语，意为“道路”）：将托卡马克装置扩大到 10 层建筑的大小。ITER 自 2010 年起在法国南部建设，预计将于 2035 年开始使用氘氚燃料进行实验。当它开始时，物理学家非常确信 ITER 将能够一次保存和研究燃烧的聚变等离子体几分钟，提供这是一个独特的数据宝库，有望对动力反应堆的建设有用。

但 ITER 也被设计为一台研究机器，其仪器和多功能性比工作动力反应堆所需的要多得多——这就是为什么当今两家资金最充足的聚变初创公司正在竞相开发更小、更简单的托卡马克反应堆而且更便宜。

首先走出大门的是 托卡马克能源公司，这是一家成立于 2009 年的英国公司。多年来，该公司已获得约 2.5 亿美元的风险投资，用于开发基于“球形托卡马克”的反应堆——一种特别紧凑的变体，看起来更像是一个核反应堆。苹果比甜甜圈。

但迅速崛起的是 马萨诸塞州的 Commonwealth Fusion Systems，它是麻省理工学院的衍生公司，直到 2018 年才推出。尽管 Commonwealth 的托卡马克设计使用了更传统的甜甜圈配置，但进入麻省理工学院广泛的筹款网络已经为该公司带来了近 20 亿美元。

两家公司都是最早利用高温超导体（HTS）电缆产生磁场的公司之一。这些材料于 20 世纪 80 年代被发现，但直到最近才以电缆形式出现，即使在相对炎热的 77 开尔文或 -196 摄氏度（-196 摄氏度，足够热，可以用液氮或氦气实现）的情况下，这些材料也可以无电阻地传输电流。这使得高温超导电缆的冷却比 ITER 将使用的电缆更容易、更便宜，因为这些电缆将由传统超导体制成，需要浸泡在 4 开尔文的液氦中。

但更重要的是，与低温电缆相比，高温超导电缆可以在更小的空间内产生更强的磁场，这意味着两家公司都能够将其发电厂设计缩小到 ITER 尺寸的一小部分。

然而，尽管托卡马克装置一直占据主导地位，但当今大多数聚变初创公司并没有 使用 这种设计。他们正在复兴旧的替代品，如果有人能让它们发挥作用的话，这些替代品可能比托卡马克更小、更简单、更便宜。

等离子体涡流

这些复兴设计的主要例子是基于烟环状等离子体涡流的聚变反应堆，称为场反转配置（FRC）。FRC 涡流类似于一根肥大的中空雪茄，像陀螺仪一样在其轴上旋转，它通过自己的内部电流和磁场将自身固定在一起，这意味着 FRC 反应堆不需要让它的离子在甜甜圈周围无休止地循环等离子体室。至少原则上，涡流会很高兴地留在直圆柱形室内，只需要轻触外部场即可保持稳定。这意味着基于 FRC 的反应堆可以放弃大部分昂贵、耗电的外部磁场线圈，使其比托卡马克或几乎其他任何装置更小、更简单、更便宜。

这里展示的是基于特别稳定的等离子体涡流的线性反应器概念，该涡流与其自身的内部电流和磁场结合在一起。它被称为场反转配置（FRC），由两个更简单的涡流合并而成，这些涡流由等离子枪从反应室的两端发射。从侧面进入的新鲜燃料束使 FRC 保持高温并快速旋转

不幸的是，在实践中，早在 20 世纪 60 年代对这些旋转等离子体雪茄进行的首次实验发现，它们似乎总是在几百微秒内失控地翻滚，这就是为什么这种方法在托卡马克时代大多被搁置的原因。

然而，FRC 反应堆的基本简单性从未完全失去吸引力。事实上，FRC 可能被驱动到极端等离子体温度而不飞散，这就是 TAE 在 1998 年选择 FRC 方法的原因，当时该公司开始寻求利用 10 亿度的质子硼 11 反应。

宾德鲍尔和他的 TAE 联合创始人、已故物理学家诺曼·罗斯托克 (Norman Rostoker) 提出了 一个无限期稳定和维持 FRC 涡流的方案 ：只需沿涡流外缘发射新鲜燃料束即可保持等离子体高温和高旋转速率。

有效。到 2010 年代中期，TAE 团队已经证明，只要束流注入器有电，从侧面射入的这些粒子束确实可以使 FRC 保持旋转和稳定 — 利用实验室的储存能量，时间只需不到 10 毫秒供应，但只要他们愿意（大概），一旦他们可以从质子硼11燃烧反应堆中吸取一些多余的能量。到 2022 年，他们已经证明他们的 FRC 可以在远高于 7000 万摄氏度的温度下保持稳定性。

随着下一台机器（30 米长的 Copernicus）计划于 2025 年完工，TAE 希望实际达到 1 亿度以上的燃烧条件（尽管使用普通氢气作为替代品）。这一里程碑应该为 TAE 团队提供设计达芬奇机器的重要数据：一个反应堆原型（他们希望）将在 2030 年代初开始将 p-B11 产生的电力输送到电网。

罐装血浆

与此同时， 加拿大温哥华的General Fusion正在与英国原子能管理局合作建造一座示范反应堆，以实现可能是所有反应堆中最奇怪的概念，即 21 世纪磁化靶聚变的复兴。这个 20 世纪 70 年代的概念相当于将等离子涡流发射到金属罐中，然后压碎罐子。做得足够快，捕获的等离子体将被压缩并加热到聚变条件。经常这样做，或多或少连续的一串聚变能量脉冲会返回，你就会拥有一个动力反应堆。

在 General Fusion 目前的概念中，金属罐将被熔融的铅锂混合物取代，该混合物通过离心力固定在以 400 RPM 旋转的圆柱形容器的侧面。在每个反应堆周期开始时，向下指向的等离子枪将注入电离氘氚燃料涡流（“磁化目标”），这将短暂地将旋转的金属衬里容器变成微型球形托卡马克。接下来，排列在容器外部的压缩空气活塞将铅锂混合物推入涡流，在大约 5 毫秒内将其从直径 3 米压碎至 30 厘米，并将氘氚提升至聚变温度。

磁化目标聚变是 20 世纪 70 年代一种方法的名称，该方法相当于将等离子体涡流发射到金属罐中，然后压碎金属罐。这里展示的是一个现代版本，其中金属罐被熔融的铅锂混合物取代，通过离心力将其固定在旋转容器的侧面。等离子枪将氘-氚等离子体涡流发射到容器的中空内部，而排列在容器外部的活塞将铅-锂混合物向内推动，压碎等离子体并点燃聚变。爆炸将熔化的铅锂混合物推出并重置系统。

然后产生的爆炸将撞击熔融的铅锂混合物，将其推回到旋转的圆筒壁上，并重置系统以进行下一个循环——大约一秒钟后开始。与此同时，在更慢的时间尺度上，泵将稳定地将熔融金属循环到外部，以便热交换器可以收集其吸收的聚变能，而其他系统可以清除中子-锂相互作用产生的氚。

所有这些移动部件都需要一些复杂的编排，但如果一切按照模拟建议的方式进行，该公司希望到 2030 年代建造一座全尺寸的氘氚燃烧发电厂。

任何人都在猜测这里提到的特定反应堆概念何时（或是否）会产生真正的商业发电厂，或者第一个推向市场的反应堆设计是否会是其他 40 多家聚变公司正在开发的众多替代反应堆设计之一。

但这些公司中很少有人将聚变能的追求视为一场赛马或零和游戏。他们中的许多人将他们的竞争描述为激烈，但基本上是友好的——主要是因为，在一个迫切需要任何形式的无碳能源的世界中，多种聚变反应堆类型有足够的空间取得商业成功。

“我会说我的想法比他们的想法更好。但如果你问他们，他们可能会告诉你，他们的想法比我的想法更好。”General Fusion 创始人兼首席科学家、物理学家 Michel Laberge 说道。“这些人中的大多数都是认真的研究人员，他们的计划没有根本性的缺陷。” 他说，拥有更多的可能性可以提高实际成功的机会。“我们确实非常需要这个星球上的核聚变。”