尋找聚變能

王曉濤/編譯

自原子時代開啟以來，科學家就一直在追逐核聚變之夢。核聚變正是太陽的能量來源。

世界各國對無碳能源的興趣和投資也與日俱增。

在近一個世紀里，天文學家和物理學家已經知曉了一種叫作熱核聚變的過程，正是這類過程讓太陽以及其他恒星連續數百萬年乃至數十億年發光。從發現熱核聚變過程那一刻起，科學家就一直夢想著把這種能源帶到地球上，利用它為現代世界提供動力。

在氣候變化日益加劇的時代，這個夢想變得愈發引人注目。掌握利用熱核聚變的能力，并將其注入全球電網，就能讓我們所有排放二氧化碳的燃煤和燃氣電廠成為遙遠的記憶。核聚變發電廠可以提供晝夜流動的零碳電力，不必擔心風及其他任何天氣問題；同時也沒有如今核裂變發電廠的缺點，比如潛在的災難性熔斷以及必須隔離存放數千年的核廢料。

實際上，聚變恰恰與裂變相反：裂變是將鈾之類的重元素分裂成較輕的元素，而聚變過程則通過將較輕元素（比如氫）的各種同位素合并成較重元素同時產生能量。

要想實現核聚變之夢，聚變科學家必須先在地面上啟動核聚變——要知道，太陽能啟動聚變過程，是因為它的核心引力作用極其強大。要想在地球上實現核聚變意味著要將那些輕同位素放入反應堆中，并且設法把它們加熱到幾億攝氏度——這個溫度可以將原子轉變成一種電離化的“等離子體”，類似閃電的內部環境，只是溫度更高、更難控制。同時，這也意味著我們要找到方法控制那種“閃電”，通常是借助某種磁場在等離子體像生物那樣扭動、扭曲并試圖逃脫時緊緊抓住它們。

即便是用最樂觀的語言，這兩項挑戰也都令人望而生畏。實際上，直到2022年年末，在加利福尼亞開展的一項耗資數十億美元的核聚變實驗才終于實現讓一小點同位素樣本產生多于為啟動核聚變反應輸入的能量的熱核能。而這個僅僅持續大約1/10納秒的事件，必須由全世界性能最強大的192個激光器聯合觸發。

不過，如今的核聚變領域同時還存在大量現實得多的計劃。諸如高溫超導等新技術有望讓核反應器變得比以前能想象的更小、更簡單、更便宜、更高效。更好的是，經過這幾十年緩慢但頑強的發展，核聚變技術似乎已經跨過了一個轉折點，技術研發人員現在已經擁有了足夠的經驗，可以設計出與理論預測基本一致的等離子體實驗。

位于南加利福尼亞州的泰爾技術核聚變公司首席執行官米歇爾 · 賓德鮑爾（Michl Binderbauer）說：“我們掌握的核聚變技術正逐漸趕上實現可控核聚變這一巨大挑戰的要求。”

泰爾技術成立于1998年，是全球第一家商業核聚變企業。自泰爾技術之后，陸續又有40多家商業核聚變企業成立——大部分成立于最近5年里，其中許多都采用了動力反應堆的設計，并有望在大約十年之后投入使用。

2018年，安德魯 · 霍蘭德（Andrew Holland）在美國華盛頓特區創辦了一個倡導核聚變技術的組織“聚變產業協會”，并擔任該組織首席執行官至今。他表示：“我一直在想，我們現在的技術能力正處于巔峰。不過，我們現在仍在見證越來越多擁有新想法的公司涌現，所以人類的技術能力未來必然會更加強大。”

這一切都被私人投資公司看在眼里，實際上，核聚變技術初創公司總計已經吸引了大約60億美元的投資，并且這個數字還在不斷上升。位于新澤西的美國能源部普林斯頓等離子體物理學實驗室的研究負責人喬納森 · 梅納德（Jonathan Menard）說，新技術和私人資本的結合產生了令人欣喜的協同作用。梅納德本人沒有在任何核聚變技術公司任職，他的說法應該是相當客觀的。

他說：“與公共部門相比，私人公司通常擁有更多資源去嘗試新鮮事物。有些嘗試會奏效，有些不會，還有些則處于兩種狀態之間。不過，我們最后總能發現合適的發展方向，那就很棒了。”

當然，我們也有充分的理由保持謹慎——到目前為止，這些私人核聚變技術公司都沒有證明他們掌握了產生凈核聚變能的能力，甚至連短暫做到都沒有證明，更不用說在十年內產生適用商業規模的機器了。梅納德說：“許多私人核聚變技術都在說大話，承諾了一些我們通常認為不太可能在那么短時間尺度內實現的事情。”

不過，他緊接著又補充道：“要是事實證明我們錯了，那我們會非常高興。”

既然現在有40多家公司正朝著實現核聚變的方向努力，只要其中有一家成功，我們都會很快知曉。與此同時，為了讓大家知道核聚變并不是癡人說夢，這里概述每種核聚變反應堆必須克服的挑戰，同時看看部分擁有充足資金和優秀設計的私人公司是怎么在技術上應對這些挑戰的。

核聚變的先決條件

所有核聚變裝置要解決的第一大挑戰就是“點火”，也就是說，核聚變裝置必須把各種同位素的混合物（不論具體比例多少）當作燃料，讓原子核互相接觸、聚變，然后釋放出大量能量。

這里的“接觸”就是字面上的意思：核聚變就是一項以接觸為基礎的運動，直到兩個原子核正面迎頭相撞，聚變反應才會啟動。那么，要怎么才能讓原子盡可能多地互相接觸？棘手之處在于，每個原子的原子核都含有帶正電的質子，而物理學的一條基本規則告訴我們，同種電荷會互相排斥。因此，克服這種排斥力的方法只有一個，那就是讓原子核快速運動，快到它們在互相排斥之前就發生碰撞以及進一步的聚變。

這種速度要求意味著等離子體的溫度至少要達到1億攝氏度。而且，這個溫度僅僅是對氫的兩種較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溫度更高——這就是為什么氘和氚目前仍然是大多數反應堆選擇使用的燃料。

然而，無論使用何種燃料，是否能達到啟動核聚變反應的溫度，通常總是歸結為研究人員與等離子體離子之間的競賽：研究人員總是在努力利用微波或高能中子束等外部能量來源泵入能量，而等離子體離子則總是試圖在剛接收能量后就把這些能量輻射出去。

最終目標是讓等離子體的溫度超過“點火”溫度——核聚變反應將產生足夠的內部能量以彌補自身輻射出去的能量，并為一兩個城市提供電力。

然而，這也引出了兩大挑戰。一個挑戰是，一旦點火成功，所有投入實際使用的反應堆都必須保證燃料持續燃燒——也就是說，要把這些過熱的原子核限制在足夠小的區域內，保證它們在足夠長的時間內仍能保持理想膨脹率，從而產生有用的能量流。

在大多數反應堆中，這意味著要把等離子體保護在一個密閉的艙室內，因為如果有空氣向外流動，等離子體的溫度就會下降，聚變反應就會停止。然而，這同時也意味著要保證等離子體遠離艙壁，因為艙壁的溫度比等離子體低得多，后者一接觸前者溫度就會驟降，聚變反應隨即停止。難點在于，如果用非物理屏障（比如強磁場）讓等離子體遠離艙壁，離子的流動很快就會被等離子體內部的電流和磁場扭曲，同樣無法驅動聚變反應。

除非你非常謹慎且聰明地約束整個磁場——這就是為什么約束方案的不同就足以解釋各種核聚變反應堆在設計上的顯著差異。

此外，投入實際使用的核聚變反應堆必須囊括某種提取核聚變能源并將其轉化為穩定電流的方法。雖然針對這最后一項挑戰，我們從來都不缺乏創意，但具體的細節很大程度上取決于核反應堆使用了何種燃料。

舉個例子，對氘+氚燃料來說，聚變反應產生的大部分能量都是以一種叫作中子的高速運動粒子的形式出現的，而中子不帶電荷，因而不可能被磁場約束。也正是因為不帶電荷，中子不僅能穿過磁場，還能穿過核反應堆壁。因此，必須用一件“毯子”把等離子體艙室包裹起來。所謂“毯子”，一般就是一層厚厚的鉛或鋼等較重的物質，他們會吸收中子并把它們的能量轉化為熱量。接著，我們可以用這些熱量煮開水，并通過傳統發電廠使用的那種蒸汽發電機發電。

許多氘氚核反應堆在設計時還要求在包層材料中加入一些鋰。這一步很關鍵。因為每一次氘氚核聚變反應都會消耗一個氚原子核，也因為氚這種氫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，核反應堆很快就會耗盡燃料。

氘氚燃料的使用確實相當復雜，于是，一些大膽的核聚變初創公司開始尋找替代方案。賓德鮑爾的泰爾技術就把目光放在了許多人認為的終極核聚變燃料質子與硼-11的混合物上。質子和硼-11都比較穩定，沒有毒性且儲量大、容易獲取。它們發生核聚變反應后只有一種產物，也就是三個帶正電的氦-4原子核——用磁場就能輕松捕獲它們及它們攜帶的能量，無須使用包層。

然而，替代方案也有各自需要解決的挑戰。就拿質子與硼-11燃料來說，啟動核聚變反應的溫度高達10億攝氏度，比氘氚燃料高了一個數量級。

等離子甜甜圈

早在科學家研究核聚變反應之初，他們就已經清楚要面對三大基本挑戰了——給等離子體點火，維持核聚變反應，以及收獲能量。到了20世紀50年代，核聚變反應領域的革新者開始提出各種解決上述問題的方案——直到1968年蘇聯物理學家公布了他們稱為“托卡馬克”的設計方案后，其他選項都靠邊站了。

和早期的幾種核聚變反應堆設計概念一樣，托卡馬克的主要特征也是一個有點像中空甜甜圈（這種形狀能讓粒子在不碰撞任何東西的前提下無休止流動）的等離子體艙室，然后通過環繞在甜甜圈外部的載流線圈產生的磁場控制等離子體離子。

不過，托卡馬克裝置也有自己的創新之處，那就是利用一組額外的線圈，讓電流通過等離子體在甜甜圈內一圈又一圈流動，就像環形閃電一樣。這股電流輕微地扭曲了磁場，對穩定等離子體起到了驚人的作用。雖然第一臺投入實驗的托卡馬克機器仍然無法達到啟動并維持核聚變反應所需的溫度和約束時間——而且差得很遠——但實驗結果已經大大超越了之前所有嘗試，因此，所有核聚變研究小組幾乎都轉向了這種設計。

自那之后，全球總共建造了200多臺設計各有不同的托卡馬克裝置，而物理學家對托卡馬克裝置內的等離子體也越發熟悉，足以自信地預言這些機器未來的表現。這種信心正是某個國際資助機構聯盟愿意前前后后投入20多億美元打造國際熱核聚變實驗反應堆（ITER，在拉丁語中意為“路徑”）的原因。ITER本質上也是一個托卡馬克裝置，但大小相當于10層樓。2010年，ITER在法國南部動工，預計在2035年用氘氚燃料開始核聚變實驗。物理學家相當確信，屆時，ITER能夠在一次實驗內維持燃燒的核聚變等離子體達數分鐘之久，這就為他們的后續研究提供了一個獨特的數據寶庫，未來也有望在投入實際使用的核電反應堆中發揮作用。

不過，ITER的另一大設計目標就是為了更進一步的科學研究，所以，它配備的儀器和功能要比一般的核電反應堆更多——這就是為什么現在有兩家獲得最多資金的核聚變技術初創企業正爭相開發體積更小、功能更簡單、成本更低廉的托卡馬克核聚變反應堆。

第一家是2009年建立的托卡馬克能源公司。這些年里，這家英國公司總共獲得了大約2.5億美元的風險投資，他們的目標是開發以“球形托卡馬克裝置”為基礎的反應堆。這種設備特別緊湊，看上去更像是一個帶核的蘋果，而非甜甜圈。

另一家則是位于美國馬薩諸塞州的聯邦聚變系統公司。它其實是麻省理工學院的一個分支機構，遲至2018年才成立，但發展勢頭迅猛。雖然聯邦聚變系統的托卡馬克裝置在設計上使用的是更加傳統的甜甜圈構型，但因為有麻省理工學院龐大的資金支持網絡，這個機構已經獲取了接近20億美元的投資。

另外，這兩家公司也都是全球最早使用高溫超導體電纜產生磁場的。早在20世紀80年代，人類就發現了高溫超導體，但最近才用它制造電纜。高溫超導材料可以在相對較高的77 K（-196℃，可以用液氮或氦氣實現）溫度下幾乎無電阻地傳輸電流。而ITER使用的電纜由傳統超導體制成，需要浸泡在4 K溫度的液氦中。因此，用高溫超導體制造的電纜冷卻起來更加方便、成本更低。

不過，用高溫超導體制成的電纜優勢還不止于此。相比低溫超導體制成的電纜，它們能在小得多的空間內產生強得多的磁場——這意味著，托卡馬克能源和聯邦聚變系統可以讓它們的核電反應堆規模縮小到ITER的幾十分之一。

然而，雖然托卡馬克裝置是目前絕大多數核聚變技術公司的選擇，但如今大多數核聚變初創公司不再使用這種設計方案。他們選擇重回托卡馬克裝置之前的古老設計方案，因為后者體積更小、原理更簡單、成本也更低，只要想辦法使其生效即可。

等離子體渦流

這類復古設計方案中的典型代表就是以煙圈狀等離子體渦流（稱為“場反轉結構”）為基礎的聚變反應堆。場反轉結構渦流看上去就像一根粗粗的空心雪茄，像陀螺儀一樣繞著自己的軸轉動。場反轉結構渦流通過自身內部的電流和磁場束縛自己——這意味著，場反轉結構核聚變反應堆不需要讓內部的離子在甜甜圈形狀的等離子體艙室里無休止地流動。至少，從原理上說，渦流會很“樂意”始終停留在筆直的圓柱形艙室內，只需要一個輕微接觸的外部磁場就能讓它保持穩定。這意味著，以場反轉結構渦流為基礎的核聚變反應堆，可以舍棄大部分昂貴且極為耗電的外部磁場線圈，從而比托卡馬克裝置以及其他任何核聚變設備體積更小、操作更簡單、造價更便宜。

遺憾的是，實踐過程反饋的結果卻遠沒有那么理想。早在20世紀60年代，科學家就開始了場反轉結構核聚變裝置的實驗，結果發現，裝置內的等離子體似乎總是在幾百微秒內就失去控制。這就是為什么當托卡馬克裝置出現后場反轉裝置就受到了冷落。

不過，場反轉結構反應堆的簡潔本質永遠不會失去魅力。更何況，這種裝置還有可能在不崩潰的前提下把等離子體加熱到極高的溫度——這也是為什么泰爾技術在1998年時選擇了場反轉結構，這家公司剛開始嘗試核聚變技術的時候，想的就是借助10億攝氏度的質子和硼-11燃料。

賓德鮑爾和泰爾技術的另一位聯合創始人、已故物理學家諾曼 · 羅斯托克（Norman Rostoker）當時就想到了一個無限期穩定并維持場反轉結構渦流的方法：只要沿著渦流外沿發射新鮮燃料束，就能維持等離子體的高溫和高轉動速度。

這個方法確實有效。2010年代中葉，泰爾技術的研發團隊就證明了，從側面進入反應裝置的那些粒子束真的能讓場反轉結構保持轉動和穩定，只要燃料束注入器仍有動力就行了——只靠實驗室儲存的能源，僅能維持注入器運轉不到10毫秒，但只要他們想，就可以從以質子和硼-11為燃料的核反應堆中收取一點多余的能量。另外，在2022年的時候，他們還證明了他們開發的場反轉結構核聚變反應裝置可以在遠超7000萬攝氏度的高溫下保持那種穩定性。

泰爾技術計劃在2025年建成下一臺場反轉結構核聚變反應裝置，也就是長達30米的“哥白尼”。屆時，他們希望能實現1億攝氏度以上的穩定燃燒環境（只是燃料會轉而使用純氫）。如果一切順利，那“哥白尼”無疑會成為一臺具有里程碑式意義的機器，泰爾技術也會掌握設計“達 · 芬奇”所需的必要數據——在泰爾技術的愿望里，“達 · 芬奇”會是一臺能在2030年代初開始把質子和硼-11聚變反應產生的電力輸入電網的原型機。

罐中的等離子體

與此同時，加拿大溫哥華的通用聚變公司正同英國原子能管理局合作，建造一座示范性核聚變反應堆。這座反應堆的設計理念或許是所有核聚變方案中最為奇怪的，是磁化靶聚變方案的復刻版。磁化靶聚變是一個興起于20世紀70年代的概念，具體做法就相當于向金屬罐頭發射等離子體渦流，然后再把罐頭碾碎。如果碾壓的速度足夠快，那么金屬罐頭里的等離子體就會被壓縮、加熱到足以聚變的狀態。如果能頻繁做到這一點并且得到一股或多或少有些連續的核聚變能量脈沖，我們就擁有了一座核動力反應堆。

在通用聚變公司目前的設計概念中，他們會用熔融態的鉛-鋰混合物充當金屬罐頭。當轉動速度達到每分鐘400轉時，這種混合物就會在離心力的作用下緊緊貼在圓柱體容器側面。在每個核聚變反應周期開始時，一把指向下的等離子體槍會往反應堆內注入電離化的氘-氚燃料——這就是“磁化靶”——這會短暫地把轉動的金屬內襯容器轉變成一個微型球形托卡馬克裝置。接著，排布在容器外側的一組負責壓縮空氣的活塞會推動鉛-鋰混合物進入渦流，并且在大約5毫秒內將其直徑從3米壓縮到30厘米，進而將氘-氚燃料加熱到足以發生核聚變的溫度。

整個過程最后產生的沖擊波會撞擊熔融態的鉛-鋰混合物，將其推回到轉動的圓柱體壁上，并且重置整個系統以展開下一個反應周期——大約1秒后啟動。與此同時，在一個慢得多的時間尺度上，泵會穩定地讓熔融狀態的金屬循環到外部，這樣一來，熱交換器就能收獲金屬吸收的聚變能量，且其他系統可以清除中子-鋰相互作用產生的氚。

所有這些組件都需要復雜且精細的布局，但如果一切都能按理論模擬的那樣順利展開，那么泰爾技術有望在2030年代就建成一座真正的氘-氚燃料核發電廠。

沒有人知道這里提到的各種核聚變反應堆設計何時（甚至是否）會成為真正的商業發電廠 ，也沒有人知道率先進入市場的核聚變反應堆會不會是其他40多家核聚變公司正在開發的其他方案之一。

不過，有一點是肯定的，這些公司幾乎都不認為對核聚變能源的探索是一場你輸我贏的賽馬或者說零和游戲。很多公司都曾稱贊對手攻勢猛烈，但本質友善，這大概是因為在這個迫切需要無碳能源（無論是何種形式）的世界里，有足夠的空間讓采取各種類型核聚變反應堆設計方案的商業公司取得成功。

通用聚變公司創始人、首席科學家米歇爾 · 拉貝奇（Michel Laberge）說：“要我說，我肯定覺得我的方案比他們的好。但如果你去問他們，他們也大概會說自己的方案比我的好。而且，從事這個行當的大多數人都是嚴謹的研究者，大家的方案都沒有根本性缺陷。可選方案越多，最終成功的概率就越高。這個星球真的很需要聚變能，而且是迫切需要。”

資料來源 Knowable Magazine

本文作者米切爾 · 沃爾德羅普（Mitchell Waldrop）是一位自由撰稿人，在美國華盛頓特區生活，主要報道環保材料、宇宙學等方面內容