5个让核聚变能源成为现实的大想法

这个笑话的历史几乎和这个梦一样悠久:距离核聚变能源还有30年…永远如此。但现在，80多年过去了澳大利亚物理学家马克·奥列芬特第一次观察到氘原子聚变并释放出能量团块，现在可能是时候更新点睛之笔了。

在过去的几年中，超过20个研究小组——令人印象深刻的人员和资金充足的初创公司、大学项目和企业项目——在可控核聚变方面取得了令人大开眼界的进展。他们正在建造基于完全不同设计的核聚变反应堆，挑战两种主流方法，这两种方法要么使用一个巨大的，甜甜圈状的被称为托卡马克的磁性容器，要么使用非常强大的激光。

更重要的是，其中一些研究小组预测未来五年内将出现重大的聚变里程碑，包括达到盈亏平衡点，此时产生的能量超过引发反应的能量。考虑到采用传统托卡马克和基于激光的方法的主流项目已经辛苦了几十年，花费了数十亿美元，却没有实现盈亏平衡，这一速度之快令人震惊。

在马萨诸塞州的剑桥。，MIT-affiliated researchers at英联邦聚变系统他们最新的反应堆设计有望在2025年达到收支平衡。在英国，牛津大学的一个分支叫做第一次光融合声称将在2024年实现盈亏平衡。在南加州，初创公司TAE技术为聚变反应堆的商业化制定了一个雄心勃勃的五年时间表。

非理性繁荣吗?也许吧。核聚变研究是最昂贵的努力之一，它依赖于大量流入的现金来支付实验室的电费。在追求资金的过程中，夸大未来成就的诱惑非常强烈。过去对即将到来的突破的预期一再落空。现在发生的变化是，高速计算、材料科学、建模和仿真的进步正在帮助推翻曾经顽固的技术障碍，大量资金正在流入该领域。

一些新的聚变项目正在使用最新一代的超级计算机，以更好地理解和调整超高温等离子体的行为，在超高温等离子体中，氢核融合形成氦。其他人则重新开启了几十年前被搁置的有希望的调查方向。还有一些人正在开发新的超导体或混合主流概念。

尽管他们有强大的工具和创造性的方法，但许多新的冒险将会失败。但是，只要有人能成功建造一个能够经济发电的反应堆，就能从根本上改变人类文明的进程。在聚变反应中，一克最常用的氢同位素理论上可以产生与11公吨煤相同的能量，而氦是唯一持久的副产品。

随着气候变化的加速和电力需求的飙升，核聚变有望成为一种零碳、低废物、相对清洁、没有熔毁或武器化风险的电力来源。这种诱人的可能性让核聚变的梦想持续了几十年。这些斗志昂奋的创业公司最终会成功地让核聚变成为现实吗?

就在不久前，核聚变发电的前景还相当黯淡，两个最大的项目似乎都停滞了。2016年，美国能源部承认这一数字为35亿美元国家点火设备(NIF)未能实现使用激光“点燃”自我维持的聚变反应的目标。能源部的一份报告指出NIF的研究应该从研究激光点火转向确定这种点火是否可行。

同年，美国和其他几个国家的政府开始讨论是否撤出对联合国的支持国际热核实验反应堆(ITER)．ITER于1985年首次提出，目前正在法国南部建造，是世界上最大的聚变实验。这是托卡马克的一种，它利用磁力来限制和隔离启动和维持聚变所需的极热高能等离子体。但该项目一直受到延误和成本超支的困扰，使其最初50亿美元的造价增加了五倍，并将预计完工日期推迟到2035年。(即使它能在那一天实现，也可能要过几十年，基于该设计的商业工厂才能投入运营。)NIF和ITER的挫折和巨大的花费不仅耗尽了资金，也耗尽了该领域的热情。

即使政府支持的大型项目失败了，替代聚变能源的研究也开始获得动力。那些追求这些新努力的人希望，他们新颖和小规模的方法可以加速过去几十年的增量艰难。投资者终于注意到了这一点，并将大量资金投入到这一领域。在过去的五年里，私人资本家已经向小型聚变能源公司注入了大约15亿美元。亚马逊的杰夫·贝佐斯、微软的比尔·盖茨和风险投资家彼得·蒂尔都在核聚变上押下了重金。一些大公司，包括洛克希德·马丁公司，他们已经推出了自己的产品small-fusion项目．

Treu杰西他是物理学博士，职业生涯的大部分时间都在投资生物技术和医疗技术初创公司。他说，他在2016年意识到，“核聚变能源领域开始出现美妙的事情，但资金却没有跟上。很明显，私募股权和风险投资是开发这项技术的解决方案的一部分，这显然是对地球最好的能源答案。”他联合创立了恒星能量基金会将聚变研究人员与资金来源联系起来，并提供支持和宣传。

公共资金也开始跟随私人资金:几十年来，美国能源部(U.S. Department of Energy)的拨款制定者将大部分非国防核聚变拨款输送给了ITER，现在他们正在将一些资金输送给主流研究的边缘项目。联邦预算包括在2020财年为核聚变项目增加1.07亿美元，其中包括一项研究伙伴计划允许小公司在能源部的国家实验室进行大型实验。

美国政府重新燃起兴趣的部分原因是，它认为有必要跟上中国的步伐聚变能的程序经过三年的暂停。中国政府计划这么做打开一个新的聚变反应堆今年在四川省。与此同时，中国能源公司新奥能源控股有限公司(ENN energy Holdings)一直在投资海外研究项目，并正在建造一个复制品普林斯顿聚变系统该公司在美国顶尖科学家的帮助下，在中国中部建造了一个小型反应堆。

“现在看来，中国将吞噬美国未能资助的每一个创意，”他说马修·莫伊尼汉他是一名核工程师，也是投资者的核聚变顾问，“这给美国政府敲响了警钟。”

对于所有这些活动和投资，核聚变发电仍然是一个棘手的问题。

核裂变是一个大而不稳定的原子核被分裂成更小的元素，而聚变反应发生在轻量元素(通常是氢)的原子核以足够的力碰撞并融合形成更重的元素时。在这个过程中，部分质量被释放并转化为能量，正如阿尔伯特·爱因斯坦的著名公式:E = mc²．

在我们的宇宙中有丰富的聚变能——太阳和其他稳定的恒星是由热核聚变提供动力的——但触发和控制一个自我维持的聚变反应并利用其能量的任务可以说是人类尝试过的最困难的工程挑战。

为了融合氢核，地面反应堆的设计者需要找到克服正电荷离子相互排斥的方法——库仑力——并通过所谓的强核力使它们足够接近结合。大多数方法都需要很高的温度，比太阳的核心温度1500万摄氏度高几个数量级，物质只能存在于等离子体状态，在这种状态下，电子脱离原子核，在像气体一样的云中自由循环。

但高能量密度的等离子体是出了名的不稳定且难以控制。它扭动着，扭动着，试图挣脱，迁移到包含它的场的边缘，在那里它迅速冷却并消散。围绕核聚变能的大多数挑战都围绕着等离子体:如何加热它，如何控制它，如何塑造它和控制它。两种主流的方法是磁约束和惯性约束。像ITER这样的磁约束反应堆试图通过强大的磁场将等离子体稳定在托卡马克中。惯性约束方法，例如NIF，通常使用激光快速压缩和内爆等离子体，使其保持足够长的时间以使反应进行。

长期以来，科学家们一直认为，在创造稳定且能量密集的等离子体场时，越大越好。但随着最近超级计算和复杂建模技术的进步，研究人员正在解开等离子体行为背后的更多奥秘，并开发出新的技巧，以便在没有庞大复杂机械的情况下处理等离子体。

在这项工作的最前沿的研究人员之一是物理学家小c·温德尔·霍顿德克萨斯大学核聚变研究所的研究员。他使用的是大学的踩踏事件的超级计算机建立磁约束反应堆内等离子体流动和湍流的模拟。霍顿说:“我们正在进行几年前还不可能的计算，并在三维和时间上对等离子体数据进行建模。”“现在我们可以看到发生了什么，比我们用分析理论，甚至是最先进的探测器和诊断测量所能得到的更细微的细节。这让我们对改进反应堆设计需要什么有了更全面的了解。”

霍顿的发现为ITER等大型实验以及小规模项目的设计提供了依据。他说:“ITER的问题在于，无论他们如何让等离子体表现得很好，他们都没有弄清楚如何让反应自我维持。”“它仍然会在几分钟内燃烧殆尽，这显然不能解决能源问题。”他和其他研究人员认为，一些小规模的努力更接近于实现稳态反应，从而产生基载电力。

其中最成熟的融合创业公司是总部位于加州的TAE技术(前身为Tri Alpha Energy)，该公司于1998年成立。

TAE反应堆的设计目的是利用所谓的场反向配置(FRC)来创造一个旋转的等离子体环，将自己包含在自己的磁场中。(普林斯顿聚变系统公司的设计也是FRC。)TAE反应堆没有使用氘和氚(大多数聚变反应堆使用的氢同位素混合物)，而是向氢硼燃料中注入高能中性氢粒子束，迫使反应产生α粒子(电离氦核)。由软x射线能量沉积在安全壳内产生的热量将通过传统的热转换系统转化为电能，该系统将水加热成蒸汽以驱动涡轮机。

氢硼聚变是无中子的，这意味着初级反应不会产生破坏性的中子辐射。缺点是燃烧这种燃料需要极高的温度，最高可达30亿摄氏度。“当你这么热的时候，电子会疯狂地辐射，”他说威廉Dorland他是马里兰大学的物理学教授。“它们冷却等离子体的速度要快于加热等离子体的速度。”虽然FRC机器似乎比其他磁约束方法更不容易产生等离子体不稳定，但还没有人证明FRC反应堆可以产生稳定的等离子体。

TAE联合创始人兼首席执行官本Binderbauer该公司最新的机器被命名为诺曼(为了纪念公司的联合创始人)诺曼Rostoker)，“与上一代机器相比，在等离子体遏制和稳定性方面取得了显著改进。”推动这些改进的是人工智能和机器学习的进步，这是由谷歌开发的一种名为网上亚博Ayabo2016验光师．TAE调整了与谷歌合作的算法，以分析等离子体行为数据，并专注于将创造最理想的融合条件的变量组合。研究人员在一篇文章中描述了它自然纸2017年出版。

宾德鲍尔说:“我们正在做10年前根本不可能做的事情，这推动了学习周期越来越快。”

先进的计算它还为几年前由于预算削减或技术障碍而被放弃的有前途的研究领域注入了新的活力。通用核聚变总部位于温哥华附近，由加拿大人创建等离子体物理学家Michel Laberge．他辞去了开发激光打印机的高薪工作，转而研究一种名为磁化目标融合(MTF)的方法。该公司已经吸引了超过2亿美元的投资，其中包括杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)以及加拿大和马来西亚政府的投资。

通用聚变公司的设计结合了磁约束和惯性约束聚变的特点。它将磁约束等离子体燃料脉冲注入一个充满熔融铅和锂漩涡的球体。围绕反应堆的活塞将激波推向中心，压缩燃料，迫使粒子发生聚变反应。产生的热量被液态金属吸收，用来产生蒸汽，使涡轮机旋转并发电。

“在某种程度上，你可以把它想象成托卡马克的反面，”Laberge说。“托卡马克工作在一个(相对)低密度的大等离子体场中。我们正试图制造一种微型的高密度等离子体，通过冲击波将其挤压进去。因为磁场是如此密集和小，我们只需要让它在一起一毫秒，它就会反应。”

在20世纪70年代，美国海军研究实验室进行了实验用活塞系统触发核聚变。这些实验失败了，很大程度上是因为无法精确控制冲击波的时间。Laberge的团队已经开发出先进的算法和高度精确的控制系统来微调冲击波和压缩的速度和时间。

“在20世纪70年代的那些实验中，问题在于对称性，”Laberge说。“我们现在已经达到了所需的精度和力度，所以这个问题已经解决了。”

使用液态金属可以解决核聚变能源的另一个主要挑战:中子辐射侵蚀反应堆壁，必须经常更换，并作为低放射性废物处理。液态金属保护固体外墙不受损坏。液态金属会受到一些辐射，但不需要定期更换，因此反应堆不会产生稳定的低水平废物。

通用聚变公司最新的反应堆于2018年底首次产生等离子体，是该设施的核心，Laberge表示，该设施将展示从核聚变中产生电力的端到端能力。他说:“现在我们已经成功地创造了稳定、长寿的等离子体，我们可以看到我们有一条可行的途径，让等离子体产生比消耗更多的能量。”“就商业化而言，我们的时间表现在是几年的问题，而不是几十年的问题。”

位于弗吉尼亚州的HyperJet Fusion公司该公司的方法与通用核聚变公司的方法类似，但它没有活塞，而是用大约600个等离子枪向反应堆中喷射等离子体。喷流的合并形成了一个等离子体外壳或衬垫，然后内爆并点燃磁化的目标等离子体。HyperJet首席执行官兼首席科学家表示，该系统不需要加热系统来将燃料带到聚变温度道格拉斯·威瑟斯彭．“内爆等离子体衬垫包含目标等离子体，并提供能量将温度提高到聚变条件。由于我们使用的等离子体密度比磁约束系统高得多，它将聚变等离子体的大小从米级减小到厘米级。”

威瑟斯彭说，与托卡马克相比，HyperJet方法的优势在于它不需要昂贵的超导磁体来产生限制聚变燃烧等离子体所需的巨大磁场。

托卡马克本身也在重新启动，这要归功于不同超导材料的使用，这些材料可以使磁约束更加可行。麻省理工学院的分拆英联邦聚变系统在其Sparc反应堆的磁体中使用了高温超导体钇钡铜氧化物(YBCO)。

英联邦的创始人之一马丁·格林沃尔德他也是中国科学院的副主任麻省理工学院等离子体科学与聚变中心他计算出Sparc反应堆的YBCO磁体将能够在其表面产生约21特斯拉的磁场，在等离子体中心产生12吨的磁场，大约是由铌锡制成的托卡马克磁体的两倍。更强的磁场会对等离子体中的带电粒子产生更强的约束力，从而提高绝缘性能，从而实现更小、更便宜、性能更好的聚变装置。

格林沃尔德说:“如果你能在性能相同的情况下，将磁场增加一倍，并将设备尺寸缩小一半，这将是一个游戏规则的改变。”

事实上，新的小规模核聚变项目的一个优势是，它们可以专注于设计的新颖方面，同时利用几十年来来之不易的核聚变科学基础知识。正如格林沃尔德所说:“我们认为，通过接受围绕ITER实验开发的传统物理基础，并专注于我们物理学家和磁铁工程师之间的合作，我们可以更快地实现核聚变发电厂的商业部署。几十年来，他们一直在创造记录。”

一些有前途的创业公司，然而，他们并不满足于接受传统的智慧，他们正在以新的方式解决核聚变的基本物理问题。更激进的方法之一是第一次光融合．这家英国公司打算使用一种惯性约束反应堆设计来生产核聚变，这种反应堆的设计灵感来自一种非常吵闹的甲壳类动物。

的手枪虾的典型特征就是它超大的手枪般的爪子，用来击晕猎物。在缩回爪子的“锤子”部分后，虾用爪子的另一侧猛拍，产生快速的压力变化，在水中产生充满蒸汽的空洞，称为空泡。当这些气泡破裂时，激波以每秒25米的速度在水中脉冲，足以杀死小型海洋动物。

“虾只是想利用压力波来击晕猎物，”他说尼古拉斯小贩他是First Light的联合创始人兼首席执行官。“它不关心当腔内爆时，内部的蒸汽被强烈压缩，导致等离子体形成——或者它创造了地球上唯一的惯性约束核聚变的例子。”等离子体达到超过4700摄氏度的温度，并产生218分贝的巨响。

霍克在牛津大学的博士论文中重点研究了手枪虾非凡的爪子，他开始研究是否有可能模拟和放大虾的生理机能，以引发聚变反应，从而产生电能。

在筹集了2500万英镑(约合3300万美元)并与国际工程集团莫特麦克唐纳第一光正在建造一个ICF反应堆，其中的“爪”由一个金属盘状弹丸和一个装有氘-氚燃料腔的立方体组成。弹丸的撞击产生冲击波，在燃料中产生空化气泡。当气泡破裂时，其中的燃料被压缩到足够长的时间和足够大的强度以融合。

霍克表示，第一之光希望在今年启动第一个聚变反应，并在2024年证明净能源收益。但他承认，这些成就还不够。他说:“核聚变能量不仅需要在科学上可行。”“它必须具有商业可行性。”

没有人相信这是一件容易的事，但核聚变能的非凡挑战——更不用说迫切的需求——是吸引最近被吸引到这一领域的许多科学家和工程师的部分原因。而且，他们越来越有资源来资助他们的工作。

“那种认为核聚变还需要30年、40年或50年才能实现的说法是错误的，”TAE的宾德鲍尔说，他的公司已经筹集了6亿多美元。“我们将在五年内看到这项技术的商业化。”

多兰和霍顿等资深核聚变研究人员的观点往往比较温和。他们担心，像过去发生的那样，无法兑现的宏伟承诺可能会削弱公众和投资者的支持。多兰说，任何关于在十年内实现商业化的说法“都是不正确的”。“我们距离获得核聚变能源的途径还有很多突破。”

然而，很少有人会反对在不久的将来对核聚变的迫切需求。

麻省理工学院的格林沃尔德说:“我认为，说核聚变正在经历小鹰时刻并不过分。”“我们没有747喷气式飞机，但我们在飞行。”

本文发表在2020年2月的印刷版上，题为“核聚变发电的5大想法”。