核聚變“新貴”

鄧雪梅/編譯

核聚變“新貴”

鄧雪梅/編譯

通用核聚變公司的反應堆技術是通過活塞把燃料擠壓到一個液體鉛的旋轉渦流中

● 在風險投資和諸多希望的推動下，可替代核聚變技術研究正在升溫。然而，這些替代技術真的能夠維持其勢頭并證明其可行，抑或像之前的一些核聚變夢想一樣夭折？

要來到世界上最神秘的核聚變研發地之一，參觀者必須在加利福尼亞爾灣東部圣塔安娜山腳下的一個辦公區域下車，這里是一處占地很大卻沒有任何標志的美國核聚變研究基地——三阿爾法能源公司(Tri Alpha Energy)所在地。

要進入公司總部，參觀者必須簽署保密協議后方可進入。為了保護商業秘密，三阿爾法公司甚至沒有一個網站，但從其他一些過濾掉的信息片段可以表明，該公司用于核聚變實驗的大樓正在運營。作為一個超常規的項目——不使用環形托卡馬克反應堆（其在40年中主導了核聚變研究）——三阿爾法公司正在測試一個更小、更簡潔、更便宜的核反應堆。或許，這個反應堆在不到十年的時間里可以實現商用聚變能源，或遠遠領先于托卡馬克反應堆技術。

一段時間以來，隨著“國際熱核聚變反應堆”（ITER）項目的延期以及成本超支，即在法國卡達拉奇建造的有望成為世界上第一個能夠從持續燃燒的等離子體燃料中產生能量的ITER項目，其成本最終將高達500億美元——大約是原先預算的十倍——并且在2027年才有望商業化運作，落后預定計劃十一年之久。相比之下，三阿爾法公司的反應堆技術聽起來特別地具有吸引力。

在過去的十年時間里，包括三阿爾法團隊在內的美國、加拿大的物理學家相繼推出了一些核聚變反應堆的替代設計，有些設計報告了令人鼓舞的結果。其中，三阿爾法公司的設計還吸引了可觀的投資——已從微軟聯合創始人保羅·艾倫（Paul Allen）以及俄羅斯風險投資公司“奈米科技公司”募集了1.5億美元。

然而，伴隨著這種替代設計而來的更多的是審查。“要改變反應堆的比例，其中有非常棘手的問題要克服。”麻省理工學院的核物理學家杰弗里·弗里德伯格（Jeffrey Freidberg）說。比如，三阿爾法公司必須證明它能夠實現高能值燃料所需的數十億開爾文溫度，并且有一個切實可行的將輸出能量轉化成電能的方法。“或許，類似的問題其他替代設計有解決的辦法，”美國聚變能協會負責人斯蒂芬·迪恩 （Stephen Dean）說，“但我不認為它們很快會實際應用。”

模仿太陽

原則上，建造核聚變反應堆是一個模仿太陽的過程。其原理是：取適當氫或其他輕元素的同位素，加熱后把電子從原子核中剝離，以形成離子化的等離子體。然后壓縮等離子體使其暫時結合在一起，使原子核熔化并把其部分質量轉換成能量。但在實踐中，試圖模仿一顆恒星會引起可怕的工程問題：例如，陷入磁場中的熱等離子體易于扭曲翻轉，就如同一條被激怒的蛇掙扎逃脫一樣。

事實上，從事核聚變研究的科學家一直青睞用托卡馬克作為遏制等離子體“猛獸”的最佳方式。二十世紀五十年代前蘇聯物理學家開始研發并在十年后宣稱，他們的反應堆達到了離子體密度，溫度和約束時間比以往機器要高得多，提高了托卡馬克控制高能量等離子體的方式。

一開始，許多物理學家懷疑托卡馬克是否最終可以實現商業化的輸出功率。尤其是初期階段，其環形要由多個電磁線圈纏繞以形成限制等離子體的磁場，而更多的線圈則貫穿環形圈以驅動強大的電流，其復雜度是驚人的。

其次是燃料（氫的同位素氘-氚的組合）。氘-氚作為動力被廣泛認為是反應堆的明智選擇，因為它們的燃點低于其他任何組合——大約為1億開爾文——但卻釋放出更高的能量。其中80%的能量來自加速的中子反應，這將對反應堆內壁造成破壞，使其具有高度放射性。為此，中子能量需要用傳統的汽輪機加熱水溫——效率僅有30%～40%。

由于成本、復雜性加之進展緩慢，慣性約束聚變（實現受控熱核聚變的途徑之一）曾一度成為替代托卡馬克磁約束的呼聲很高——它的燃料芯塊是由高功率激光束點燃致其產生內爆——比如，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（NIF），就是科學家現實其對核聚變能量的承諾。

不同預案

1998年，時年72歲的加利福尼亞大學物理學家諾曼·羅斯托克（Norman Rostoker）等人創辦了三阿爾法能源公司。他們提出用硼11和質子組合以取代氘-氚組合——硼11是一種穩定的同位素，而點燃質子和硼11組合需要大約十億開爾文溫度，這個溫度幾乎是太陽中心的100倍。理論上，硼11和質子組合在聚變事件中產生的能量僅是氘-氚組合的一半，但反應生成物卻不產生中子——恰好有3個α粒子（即氦核）。這些帶電的α粒子，通過磁場進入到一個“逆回旋加速器”裝置，后者將其大約90%的能量轉化成電能。

在托卡馬克裝置中點燃十億開爾文溫度的質子和硼11等離子體是不成問題的，但關鍵是控制住它的磁場。為此，羅斯托克團隊設計了一組線性電抗器，看似兩門彼此對壘的大炮——每個電抗器會點燃被稱為等離子粒團的等離子體環，待等離子體中的離子流產生磁場后，進而束縛住等離子體。

為了啟動反應堆，電抗器會把等離子粒團射向中央控制室，在那里，兩個等離子粒團合并后會形成一個更大且自由運動的等離子粒團（后者會盡可能長時間地作為附加燃料用來供給）。此時，由反應堆產生的α粒子由另一個磁場經過電抗器被送回，并在能量轉換器中被捕獲。

1997年，當羅斯托克團隊公布了這個概念后，他們并沒有得到美國能源部（DOE）的資助。DOE把賭注壓在了似乎較為保險的托卡馬克項目上，畢竟這項已經進行了幾十年的實驗，其里程碑式的發現幾率似乎很大。很顯然，這也是羅斯托克團隊決定利用風險資金成立三阿爾法公司原因。

迪恩猜想，這種公司創辦理念或許能解釋為什么三阿爾法公司是如此的神秘。“作為風投公司的一部分，它可以激發人們的想象。”他說。在過去的五年時間里，三阿爾法公司陸續公布了一些實驗結果，包括讓員工出席一些相關會議。目前的試驗樣機是一個被稱為C-2的十米裝置，三阿爾法公司證明了相互碰撞的等離子粒團會像預期一樣合并，只要注入燃料束，燃燒時間就能維持近4毫秒——以等離子體物理學的標準，這個時間是相當長的。去年，三阿爾法公司的郭侯楊（音譯）在美國沃思堡市召開的等離子體會議上宣布，燃燒時間已經增至5毫秒。目前，該公司正在募集資金以建立一個更大的機器。

作為投資人之一的艾倫認為，目前還不是質子和硼11反應，三阿爾法公司是通過氘來運行C-2反應，距離實現燃燒其最終燃料所需的極端等離子體條件還有很長的路要走。事實上，三阿爾法公司正在實施的是類似第一代核反應堆計劃，該反應堆或將使用更傳統的蒸汽渦輪機系統。

其他概念

目前，華盛頓氦核能源公司正在研發一個小到足以放在卡車上的線性對撞束反應堆。該反應堆從四周向等離子粒團點火，在磁場的作用下，燃料在控制室內被“壓碎”直至核聚變開始。在一秒鐘內，核聚變產物隨著下一對等離子粒團的擠入而流出，周而復始……“就好比是一臺柴油機，”該公司首席執行官大衛·柯特利（David Kirtley）說，“在每次沖程中注入燃料，并用活塞擠壓，直到無需火花便能點火，而燃料的爆炸給活塞以反作用力。”

氦核能源公司正在尋求1 500萬美元的私募融資，旨在未來五年里研發出用氘-氚燃料能達到等值的實際裝置，盡可能多的產生能量，最終達到氘生成氦3所需的熱條件——兩個氦3可以形成α粒子和質子，而且過程沒有中子生成。柯特利說，如果資金募集順利的話，“我們的計劃是在六年里讓這些試點工廠聯機。”

在加拿大伯納比市，通用核聚變公司設計的反應堆其約束方式不同于其他，即將氘-氚等離子粒團射入到一個液體鉛的旋轉渦流中，然后借助一組活塞向內擠壓。如果在幾微秒內達到所需的壓強，等離子體會內爆并產生核聚變的條件。該公司負責人米歇爾·拉伯格（Michel Laberge）說，這種設計的一個優點是，當液體鉛遇到中子時不會發生變化。

通用核聚變公司已經通過了一個由活塞驅動爆炸的小型設備的演示，并且從加拿大政府和風險資本公司募集到了5 000萬美元。拉伯格說，如果再得到2 500萬美元的資助，他們將建造一個更強大的內爆系統，或許在未來的兩年里，就能實現把等離子體壓縮到核聚變所需要的水平。

盡管這些態勢看似較為樂觀，但迪恩估計，這至少需要十年或者更長的時間，其中的某項技術才可能真正應用于商業。因為其中有太多的新技術需要被證實。“我認為這些事情的動機是好的，應當予以資助——但我并不認為我們處在突破的邊緣。”

盡管許多技術需要攻克，包括大量的資金可能來自于私營部門，但風險投資者們似乎愿意一試。“人們開始思考，也許有其他方法可行！值得一試。”華盛頓大學的等離子體物理學家約翰·斯勞（John Slough）如是說。

[資料來源：Nature][責任編輯：則 鳴]