寻找聚变能

王晓涛/编译

自原子时代开启以来，科学家就一直在追逐核聚变之梦。核聚变正是太阳的能量来源。

世界各国对无碳能源的兴趣和投资也与日俱增。

在近一个世纪里，天文学家和物理学家已经知晓了一种叫作热核聚变的过程，正是这类过程让太阳以及其他恒星连续数百万年乃至数十亿年发光。从发现热核聚变过程那一刻起，科学家就一直梦想着把这种能源带到地球上，利用它为现代世界提供动力。

在气候变化日益加剧的时代，这个梦想变得愈发引人注目。掌握利用热核聚变的能力，并将其注入全球电网，就能让我们所有排放二氧化碳的燃煤和燃气电厂成为遥远的记忆。核聚变发电厂可以提供昼夜流动的零碳电力，不必担心风及其他任何天气问题；同时也没有如今核裂变发电厂的缺点，比如潜在的灾难性熔断以及必须隔离存放数千年的核废料。

实际上，聚变恰恰与裂变相反：裂变是将铀之类的重元素分裂成较轻的元素，而聚变过程则通过将较轻元素（比如氢）的各种同位素合并成较重元素同时产生能量。

要想实现核聚变之梦，聚变科学家必须先在地面上启动核聚变——要知道，太阳能启动聚变过程，是因为它的核心引力作用极其强大。要想在地球上实现核聚变意味着要将那些轻同位素放入反应堆中，并且设法把它们加热到几亿摄氏度——这个温度可以将原子转变成一种电离化的“等离子体”，类似闪电的内部环境，只是温度更高、更难控制。同时，这也意味着我们要找到方法控制那种“闪电”，通常是借助某种磁场在等离子体像生物那样扭动、扭曲并试图逃脱时紧紧抓住它们。

即便是用最乐观的语言，这两项挑战也都令人望而生畏。实际上，直到2022年年末，在加利福尼亚开展的一项耗资数十亿美元的核聚变实验才终于实现让一小点同位素样本产生多于为启动核聚变反应输入的能量的热核能。而这个仅仅持续大约1/10纳秒的事件，必须由全世界性能最强大的192个激光器联合触发。

不过，如今的核聚变领域同时还存在大量现实得多的计划。诸如高温超导等新技术有望让核反应器变得比以前能想象的更小、更简单、更便宜、更高效。更好的是，经过这几十年缓慢但顽强的发展，核聚变技术似乎已经跨过了一个转折点，技术研发人员现在已经拥有了足够的经验，可以设计出与理论预测基本一致的等离子体实验。

位于南加利福尼亚州的泰尔技术核聚变公司首席执行官米歇尔 · 宾德鲍尔（Michl Binderbauer）说：“我们掌握的核聚变技术正逐渐赶上实现可控核聚变这一巨大挑战的要求。”

泰尔技术成立于1998年，是全球第一家商业核聚变企业。自泰尔技术之后，陆续又有40多家商业核聚变企业成立——大部分成立于最近5年里，其中许多都采用了动力反应堆的设计，并有望在大约十年之后投入使用。

2018年，安德鲁 · 霍兰德（Andrew Holland）在美国华盛顿特区创办了一个倡导核聚变技术的组织“聚变产业协会”，并担任该组织首席执行官至今。他表示：“我一直在想，我们现在的技术能力正处于巅峰。不过，我们现在仍在见证越来越多拥有新想法的公司涌现，所以人类的技术能力未来必然会更加强大。”

这一切都被私人投资公司看在眼里，实际上，核聚变技术初创公司总计已经吸引了大约60亿美元的投资，并且这个数字还在不断上升。位于新泽西的美国能源部普林斯顿等离子体物理学实验室的研究负责人乔纳森 · 梅纳德（Jonathan Menard）说，新技术和私人资本的结合产生了令人欣喜的协同作用。梅纳德本人没有在任何核聚变技术公司任职，他的说法应该是相当客观的。

他说：“与公共部门相比，私人公司通常拥有更多资源去尝试新鲜事物。有些尝试会奏效，有些不会，还有些则处于两种状态之间。不过，我们最后总能发现合适的发展方向，那就很棒了。”

当然，我们也有充分的理由保持谨慎——到目前为止，这些私人核聚变技术公司都没有证明他们掌握了产生净核聚变能的能力，甚至连短暂做到都没有证明，更不用说在十年内产生适用商业规模的机器了。梅纳德说：“许多私人核聚变技术都在说大话，承诺了一些我们通常认为不太可能在那么短时间尺度内实现的事情。”

不过，他紧接着又补充道：“要是事实证明我们错了，那我们会非常高兴。”

既然现在有40多家公司正朝着实现核聚变的方向努力，只要其中有一家成功，我们都会很快知晓。与此同时，为了让大家知道核聚变并不是痴人说梦，这里概述每种核聚变反应堆必须克服的挑战，同时看看部分拥有充足资金和优秀设计的私人公司是怎么在技术上应对这些挑战的。

核聚变的先决条件

所有核聚变装置要解决的第一大挑战就是“点火”，也就是说，核聚变装置必须把各种同位素的混合物（不论具体比例多少）当作燃料，让原子核互相接觸、聚变，然后释放出大量能量。

这里的“接触”就是字面上的意思：核聚变就是一项以接触为基础的运动，直到两个原子核正面迎头相撞，聚变反应才会启动。那么，要怎么才能让原子尽可能多地互相接触？棘手之处在于，每个原子的原子核都含有带正电的质子，而物理学的一条基本规则告诉我们，同种电荷会互相排斥。因此，克服这种排斥力的方法只有一个，那就是让原子核快速运动，快到它们在互相排斥之前就发生碰撞以及进一步的聚变。

这种速度要求意味着等离子体的温度至少要达到1亿摄氏度。而且，这个温度仅仅是对氢的两种较重的同位素氘和氚的混合燃料而言的。其他元素同位素的混合燃料需要的温度更高——这就是为什么氘和氚目前仍然是大多数反应堆选择使用的燃料。

然而，无论使用何种燃料，是否能达到启动核聚变反应的温度，通常总是归结为研究人员与等离子体离子之间的竞赛：研究人员总是在努力利用微波或高能中子束等外部能量来源泵入能量，而等离子体离子则总是试图在刚接收能量后就把这些能量辐射出去。

最终目标是让等离子体的温度超过“点火”温度——核聚变反应将产生足够的内部能量以弥补自身辐射出去的能量，并为一两个城市提供电力。

然而，这也引出了两大挑战。一个挑战是，一旦点火成功，所有投入实际使用的反应堆都必须保证燃料持续燃烧——也就是说，要把这些过热的原子核限制在足够小的区域内，保证它们在足够长的时间内仍能保持理想膨胀率，从而产生有用的能量流。

在大多数反应堆中，这意味着要把等离子体保护在一个密闭的舱室内，因为如果有空气向外流动，等离子体的温度就会下降，聚变反应就会停止。然而，这同时也意味着要保证等离子体远离舱壁，因为舱壁的温度比等离子体低得多，后者一接触前者温度就会骤降，聚变反应随即停止。难点在于，如果用非物理屏障（比如强磁场）让等离子体远离舱壁，离子的流动很快就会被等离子体内部的电流和磁场扭曲，同样无法驱动聚变反应。

除非你非常谨慎且聪明地约束整个磁场——这就是为什么约束方案的不同就足以解释各种核聚变反应堆在设计上的显著差异。

此外，投入实际使用的核聚变反应堆必须囊括某种提取核聚变能源并将其转化为稳定电流的方法。虽然针对这最后一项挑战，我们从来都不缺乏创意，但具体的细节很大程度上取决于核反应堆使用了何种燃料。

举个例子，对氘+氚燃料来说，聚变反应产生的大部分能量都是以一种叫作中子的高速运动粒子的形式出现的，而中子不带电荷，因而不可能被磁场约束。也正是因为不带电荷，中子不仅能穿过磁场，还能穿过核反应堆壁。因此，必须用一件“毯子”把等离子体舱室包裹起来。所谓“毯子”，一般就是一层厚厚的铅或钢等较重的物质，他们会吸收中子并把它们的能量转化为热量。接着，我们可以用这些热量煮开水，并通过传统发电厂使用的那种蒸汽发电机发电。

许多氘氚核反应堆在设计时还要求在包层材料中加入一些锂。这一步很关键。因为每一次氘氚核聚变反应都会消耗一个氚原子核，也因为氚这种氢的同位素具有放射性而且在自然界中并不存在，如果不采取措施回收利用，核反应堆很快就会耗尽燃料。

氘氚燃料的使用确实相当复杂，于是，一些大胆的核聚变初创公司开始寻找替代方案。宾德鲍尔的泰尔技术就把目光放在了许多人认为的终极核聚变燃料质子与硼-11的混合物上。质子和硼-11都比较稳定，没有毒性且储量大、容易获取。它们发生核聚变反应后只有一种产物，也就是三个带正电的氦-4原子核——用磁场就能轻松捕获它们及它们携带的能量，无须使用包层。

然而，替代方案也有各自需要解决的挑战。就拿质子与硼-11燃料来说，启动核聚变反应的温度高达10亿摄氏度，比氘氚燃料高了一个数量级。

等离子甜甜圈

早在科学家研究核聚变反应之初，他们就已经清楚要面对三大基本挑战了——给等离子体点火，维持核聚变反应，以及收获能量。到了20世纪50年代，核聚变反应领域的革新者开始提出各种解决上述问题的方案——直到1968年苏联物理学家公布了他们称为“托卡马克”的设计方案后，其他选项都靠边站了。

和早期的几种核聚变反应堆设计概念一样，托卡马克的主要特征也是一个有点像中空甜甜圈（这种形状能让粒子在不碰撞任何东西的前提下无休止流动）的等离子体舱室，然后通过环绕在甜甜圈外部的载流线圈产生的磁场控制等离子体离子。

不过，托卡马克装置也有自己的创新之处，那就是利用一组额外的线圈，让电流通过等离子体在甜甜圈内一圈又一圈流动，就像环形闪电一样。这股电流轻微地扭曲了磁场，对稳定等离子体起到了惊人的作用。虽然第一台投入实验的托卡马克机器仍然无法达到启动并维持核聚变反应所需的温度和约束时间——而且差得很远——但实验结果已经大大超越了之前所有尝试，因此，所有核聚变研究小组几乎都转向了这种设计。

自那之后，全球总共建造了200多台设计各有不同的托卡马克装置，而物理学家对托卡马克装置内的等离子体也越发熟悉，足以自信地预言这些机器未来的表现。这种信心正是某个国际资助机构联盟愿意前前后后投入20多亿美元打造国际热核聚变实验反应堆（ITER，在拉丁语中意为“路径”）的原因。ITER本质上也是一个托卡马克装置，但大小相当于10层楼。2010年，ITER在法国南部动工，预计在2035年用氘氚燃料开始核聚变实验。物理学家相当确信，届时，ITER能够在一次实验内维持燃烧的核聚变等离子体达数分钟之久，这就为他们的后续研究提供了一个独特的数据宝库，未来也有望在投入实际使用的核电反应堆中发挥作用。

不过，ITER的另一大设计目标就是为了更进一步的科学研究，所以，它配备的仪器和功能要比一般的核电反应堆更多——这就是为什么现在有两家获得最多资金的核聚变技术初创企业正争相开发体积更小、功能更简单、成本更低廉的托卡马克核聚变反应堆。

第一家是2009年建立的托卡马克能源公司。这些年里，这家英国公司總共获得了大约2.5亿美元的风险投资，他们的目标是开发以“球形托卡马克装置”为基础的反应堆。这种设备特别紧凑，看上去更像是一个带核的苹果，而非甜甜圈。

另一家则是位于美国马萨诸塞州的联邦聚变系统公司。它其实是麻省理工学院的一个分支机构，迟至2018年才成立，但发展势头迅猛。虽然联邦聚变系统的托卡马克装置在设计上使用的是更加传统的甜甜圈构型，但因为有麻省理工学院庞大的资金支持网络，这个机构已经获取了接近20亿美元的投资。

另外，这两家公司也都是全球最早使用高温超导体电缆产生磁场的。早在20世纪80年代，人类就发现了高温超导体，但最近才用它制造电缆。高温超导材料可以在相对较高的77 K（-196℃，可以用液氮或氦气实现）温度下几乎无电阻地传输电流。而ITER使用的电缆由传统超导体制成，需要浸泡在4 K温度的液氦中。因此，用高温超导体制造的电缆冷却起来更加方便、成本更低。

不过，用高温超导体制成的电缆优势还不止于此。相比低温超导体制成的电缆，它们能在小得多的空间内产生强得多的磁场——这意味着，托卡马克能源和联邦聚变系统可以让它们的核电反应堆规模缩小到ITER的几十分之一。

然而，虽然托卡马克装置是目前绝大多数核聚变技术公司的选择，但如今大多数核聚变初创公司不再使用这种设计方案。他们选择重回托卡马克装置之前的古老设计方案，因为后者体积更小、原理更简单、成本也更低，只要想办法使其生效即可。

等离子体涡流

这类复古设计方案中的典型代表就是以烟圈状等离子体涡流（称为“场反转结构”）为基础的聚变反应堆。场反转结构涡流看上去就像一根粗粗的空心雪茄，像陀螺仪一样绕着自己的轴转动。场反转结构涡流通过自身内部的电流和磁场束缚自己——这意味着，场反转结构核聚变反应堆不需要让内部的离子在甜甜圈形状的等离子体舱室里无休止地流动。至少，从原理上说，涡流会很“乐意”始终停留在笔直的圆柱形舱室内，只需要一个轻微接触的外部磁场就能让它保持稳定。这意味着，以场反转结构涡流为基础的核聚变反应堆，可以舍弃大部分昂贵且极为耗电的外部磁場线圈，从而比托卡马克装置以及其他任何核聚变设备体积更小、操作更简单、造价更便宜。

遗憾的是，实践过程反馈的结果却远没有那么理想。早在20世纪60年代，科学家就开始了场反转结构核聚变装置的实验，结果发现，装置内的等离子体似乎总是在几百微秒内就失去控制。这就是为什么当托卡马克装置出现后场反转装置就受到了冷落。

不过，场反转结构反应堆的简洁本质永远不会失去魅力。更何况，这种装置还有可能在不崩溃的前提下把等离子体加热到极高的温度——这也是为什么泰尔技术在1998年时选择了场反转结构，这家公司刚开始尝试核聚变技术的时候，想的就是借助10亿摄氏度的质子和硼-11燃料。

宾德鲍尔和泰尔技术的另一位联合创始人、已故物理学家诺曼 · 罗斯托克（Norman Rostoker）当时就想到了一个无限期稳定并维持场反转结构涡流的方法：只要沿着涡流外沿发射新鲜燃料束，就能维持等离子体的高温和高转动速度。

这个方法确实有效。2010年代中叶，泰尔技术的研发团队就证明了，从侧面进入反应装置的那些粒子束真的能让场反转结构保持转动和稳定，只要燃料束注入器仍有动力就行了——只靠实验室储存的能源，仅能维持注入器运转不到10毫秒，但只要他们想，就可以从以质子和硼-11为燃料的核反应堆中收取一点多余的能量。另外，在2022年的时候，他们还证明了他们开发的场反转结构核聚变反应装置可以在远超7000万摄氏度的高温下保持那种稳定性。

泰尔技术计划在2025年建成下一台场反转结构核聚变反应装置，也就是长达30米的“哥白尼”。届时，他们希望能实现1亿摄氏度以上的稳定燃烧环境（只是燃料会转而使用纯氢）。如果一切顺利，那“哥白尼”无疑会成为一台具有里程碑式意义的机器，泰尔技术也会掌握设计“达 · 芬奇”所需的必要数据——在泰尔技术的愿望里，“达 · 芬奇”会是一台能在2030年代初开始把质子和硼-11聚变反应产生的电力输入电网的原型机。

罐中的等离子体

与此同时，加拿大温哥华的通用聚变公司正同英国原子能管理局合作，建造一座示范性核聚变反应堆。这座反应堆的设计理念或许是所有核聚变方案中最为奇怪的，是磁化靶聚变方案的复刻版。磁化靶聚变是一个兴起于20世纪70年代的概念，具体做法就相当于向金属罐头发射等离子体涡流，然后再把罐头碾碎。如果碾压的速度足够快，那么金属罐头里的等离子体就会被压缩、加热到足以聚变的状态。如果能频繁做到这一点并且得到一股或多或少有些连续的核聚变能量脉冲，我们就拥有了一座核动力反应堆。

在通用聚变公司目前的设计概念中，他们会用熔融态的铅-锂混合物充当金属罐头。当转动速度达到每分钟400转时，这种混合物就会在离心力的作用下紧紧贴在圆柱体容器侧面。在每个核聚变反应周期开始时，一把指向下的等离子体枪会往反应堆内注入电离化的氘-氚燃料——这就是“磁化靶”——这会短暂地把转动的金属内衬容器转变成一个微型球形托卡马克装置。接着，排布在容器外侧的一组负责压缩空气的活塞会推动铅-锂混合物进入涡流，并且在大约5毫秒内将其直径从3米压缩到30厘米，进而将氘-氚燃料加热到足以发生核聚变的温度。

整个过程最后产生的冲击波会撞击熔融态的铅-锂混合物，将其推回到转动的圆柱体壁上，并且重置整个系统以展开下一个反应周期——大约1秒后启动。与此同时，在一个慢得多的时间尺度上，泵会稳定地让熔融状态的金属循环到外部，这样一来，热交换器就能收获金属吸收的聚变能量，且其他系统可以清除中子-锂相互作用产生的氚。

所有这些组件都需要复杂且精细的布局，但如果一切都能按理论模拟的那样顺利展开，那么泰尔技术有望在2030年代就建成一座真正的氘-氚燃料核发电厂。

没有人知道这里提到的各种核聚变反应堆设计何时（甚至是否）会成为真正的商业发电厂 ，也没有人知道率先进入市场的核聚变反应堆会不会是其他40多家核聚变公司正在开发的其他方案之一。

不过，有一点是肯定的，这些公司几乎都不认为对核聚变能源的探索是一场你输我赢的赛马或者说零和游戏。很多公司都曾称赞对手攻势猛烈，但本质友善，这大概是因为在这个迫切需要无碳能源（无论是何种形式）的世界里，有足够的空间让采取各种类型核聚变反应堆设计方案的商业公司取得成功。

通用聚变公司创始人、首席科学家米歇尔 · 拉贝奇（Michel Laberge）说：“要我说，我肯定觉得我的方案比他们的好。但如果你去问他们，他们也大概会说自己的方案比我的好。而且，从事这个行当的大多数人都是严谨的研究者，大家的方案都没有根本性缺陷。可选方案越多，最终成功的概率就越高。这个星球真的很需要聚变能，而且是迫切需要。”

资料来源 Knowable Magazine

本文作者米切尔 · 沃尔德罗普（Mitchell Waldrop）是一位自由撰稿人，在美国华盛顿特区生活，主要报道环保材料、宇宙学等方面内容