人工核聚变何日实现

编译 莫庄非

有专家表示，用核聚变为人类供给能源的可行性已经大大增加了。

英国政府最近宣布投资2亿英镑用以打造一座核聚变电站，并计划在2040年之前实现此目标。

政府及合作企业告诉BBC，他们的短期目标是在5年内使这个能发电的聚变反应堆的示范模型正常工作。

尽管如此，这条“聚变发电”之路也是道阻且长。

像风能和太阳能这些现有的可再生能源已经越来越普及，价格也越发低廉，与核聚变这样未经验证的技术相比，它们可以提供一种更经济、更及时的清洁电力。

自20世纪50年代以来，核裂变一直是我们从原子中获取电力的唯一途径，它非常昂贵，且会产生大量放射性废物，由它衍生出的核武器更是一颗威胁着人类生存的超级定时炸弹。而核聚变与核裂变完全不同，它在太阳中燃烧。

什么是核聚变？

聚变是太阳的能量来源。

每隔一秒钟就会有数百万吨的氢原子在太阳内部超高温度与压力下压缩，然后互相撞击，这迫使它们的原子键断裂再结合，生成更重的氦元素。

太阳聚变产生大量的热和光。

几十年来，研究人员一直在尝试复制太阳聚变。如一位物理学家所说的，人类要“建构一个盒子里的太阳”。其基本思路是吸收一种氢气，将其加热到1亿摄氏度，形成稀薄、易碎的等离子体，然后使用强大的磁铁控制它，直到原子融合并释放能量。

这种聚变模式可以产生电力，且发电过程低碳、损耗量少，也没有爆炸的危险。

聚变发电这一概念要落地，于是国际热核聚变实验堆（ITER）计划应运而生。

大手笔能否有高回报？

ITER项目涉及35个国家，目前正在法国南部建造一座大型试验反应堆。

项目计划在2025年研发出第一束等离子体。但实际上，从能生产等离子体到能生产电力之间，沟壑依然巨大。

另一方面， ITER饱受计划的长时间推延和预算超支的困扰，这意味着示范聚变电站不大可能会如期在2050年运转起来。

位于法国南部的国际热核聚变实验堆。这个计划的目标之一是在2025年研发出第一束等离子体

英国原子能管理局（UKAEA）首席执行官伊恩•查普曼（Ian Chapman）教授说道：“ITER难以如期完成计划的原因之一是，这确实太难了。”

“我们正在做的事情已经超出了人类对技术的已有认知。当然，克服眼前的这些障碍是我们必须要做的事情，我们一直在努力，ITER会到来，我对此深信不疑。”

在ITER 2025年投入运行之前，设在英国的欧共体联合聚变中心（JET）仍然运转着世界上最大的核聚变实验。

目前欧盟对JET的资金支持会持续到2020年底，但在那之后JET何去何从，英国在脱欧后是否以及如何参与ITER，都不明朗。

在不明朗面前，英国政府最近宣布了一项2.2亿英镑的计划，用于在2040年前建成一座核聚变发电站。

在接下来的4年中，位于牛津郡库勒姆的研究人员将开发一种名为阶梯（Step）或球形托克马克（Spherical Tokomak）的聚变发电设备，以进行能源生产。

最广为人知的核聚变方法需要用到一种名为托卡马克的甜甜圈形真空室。在托卡马克内，氢气会被加热到1亿摄氏度，变成等离子体；而强大的磁体则会控制着等离子体直至聚变发生。

在英国，研究人员开发出了另一种形式的托卡马克，它长得更像一个苹果核，被称为球形托卡马克；它的结构也更紧凑，如果应用于电力系统，使得在城镇里建造发电厂成为可能。

UKAEA的纳娜•海伯格（Nanna Heiberg ）说：“找到适合放置这些大型设备的地方很难。”

通用核聚变公司相信他们的聚合方法会在5年内奏效

“我们希望将发电设备安置在真正需要能源的地方。如果它们占据的空间更小，那么就可以安置更多的设备，也更容易把它们放在距离用户更近的地方。”

多方发力核聚变

在各国政府与ITER角力的同时，许多国家也在推进自己的计划。中国、印度、俄罗斯以及美国等国家正在开发商用反应堆。

除了英国政府注资核聚变反应堆，欧洲投资银行（EIB）也向意大利的核聚变项目投入数亿欧元，该项目希望能在2050年之前生产聚变能。

但是，更多的兴奋也许来自私人公司。它们通常更小，更灵活，会通过犯错误并从中快速学习来发展。

目前全球有数十家公司正筹集资金推进核聚变研发，不过他们采用的方法与ITER和JET都不同。

这里展示一些不同核聚变方法的简例。

英国黎明核聚变公司（LFL）：该公司起源于牛津大学，是专为满足全球能源系统迫切的“去碳化”需求而创建的。他们希望通过投射物撞击含有氢原子的目标来实现产生等离子的目标。投射物撞击目标后会产生冲击波，它可以使燃料在短时间内发生反应，产生比太阳还热且比铅还致密的等离子体。

美国联邦核聚变系统公司（CFS）：它是一所由前麻省理工学院（MIT）员工创建的私人公司，已筹集了超过1亿美元的巨额资金。它致力于开发托卡马克系统，但其关键创新在于超导磁体方面，如果制造的磁体足够强大，那么就能缩减托卡马克的尺寸和成本。

美国三阿尔法技术公司（TAE）：这家总部位于加州的公司在谷歌和其他高科技投资公司的支持下，正试图利用不同种类的燃料混合物来开发更小、更经济的反应堆。他们想使用氢和硼，因为这两种元素都容易获得，且没有放射性。另外，他们采用的是一个圆柱形的碰撞束聚变反应堆（CBFR），该反应堆能够加热氢气形成两圈等离子体环状结构，等离子体环与中性粒子束结合在一起，从而加热其自身，并且持续更久。

美国海军：未来采用何种方式为舰船提供动力困扰了美国海军很久，而他们的备选策略之一也是核聚变。据悉，他们已经提交了“等离子体压缩核聚变装置”的专利申请。该专利的思路是借助磁场产生“加速振动或加速自旋”从而使聚变动力反应堆小到能够携带。当然，其可行性受到很多人质疑。

核聚变为何还没有奏效？

通用核聚变公司（General Fusion）雄心勃勃地想把核聚变转换为能源，而他们结合了前沿物理科技与现有技术的方法已经得到了亚马逊CEO贝佐斯等人的关注和支持。

他们的利器是“磁化标靶核聚变”（MTF）系统。

MTF系统内部含有被注入了高温等离子体的液态金属球以及活塞，活塞的压缩直接推动系统运转，这有点像柴油发动机。

该公司的首席技术官迈克尔•德拉奇（Michael Delage）说：“活塞同时进行压缩运动，使填充在液态金属球内部的燃料发生反应。”

“当压缩至顶点时，燃料产生核聚变反应，它产生的能量传递给在其四周包围着的液态金属，有了高温的液态金属，那么发电就是水到渠成的事情了。”

通用核聚变公司希望在5年内建立一个可行的模型。

尽管满怀希望，但目前还没有人能做出有一个产生可观能量的核聚变实验。

大多数专家都相信这个想法会奏效，但许多人认为要达到令人满意的效果，就必须扩大系统规模。

查普曼教授说：“我认为要把核聚变搞成，资源投入必不可少。你可以选择在企业里做，也可以举国家之力去完成，但必要的规模和资源是实现宏伟蓝图的第一步，巧妇难为无米之炊。”

“如果ITER成功了，那将是核聚变研究里程碑式的一步，会有大量资本涌入那里的。”

可再生能源面前，核聚变何去何从？

联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2018年的报告称，到2030年，二氧化碳排放量需要减少45%，从而把全球温度升高控制在1.5C以下。

要达到这一点，尽快让能源系统“去碳化”至关重要。英国已承诺到2050年实现净零碳排放，这将需要大规模地利用风能和太阳能，在很多人眼里，这才是当前英国能源事业中更重要的事项，往实验性的聚变反应堆上扔大把资金应该放到它之后去做。

“可再生能源的成本下降，ITER的成本上升。“现在看来，如果没有新的突破，核聚变可能得先给太阳能挪地方了，”克里斯•史密斯（Chris Llewellyn Smith ）爵士说道，史密斯是ITER委员会的主席，也是一位受人尊敬的物理学家，他继续表示，“但我不认为这意味着我们就得放弃核聚变项目，有些方法是可以降低其成本的，不过我觉得现阶段要实现还是比较困难的。”

而有些人则持不同观点。

通用核聚变公司的首席执行官克里斯•莫里（Chris Mowry）表示：“如果马来西亚这样的国家想对非常依赖煤炭的能源系统进行‘去碳化’，那可选策略确实不多，但对于我们来说，核聚变是我们一直在关注并思考怎样应用的东西，即使是拥有大量可再生能源的加拿大，也永远无法实现100%的可再生能源。因此，我们需要一个核聚变系统这样的无碳能源作为将来对已有可再生能源的补充。”