无磁体的磁约束聚变

托卡马克，使用含有高温等离子体的磁铁，原子核在其中聚变并释放能量，最近几个月成为人们关注的焦点，由于超导磁体的巨大进步．尽管取得了这些进展，但传统的磁约束核聚变仍需数年时间才能实现核聚变产生大量无碳电力的承诺。

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但是托卡马克并不是获得核聚变能量的唯一途径。西雅图Zap能源美国的FuZE-Q反应堆计划于2022年年中完工，它不需要昂贵而复杂的磁线圈。相反，机器沿高导电等离子体柱发送电流脉冲，产生磁场，同时限制、压缩和加热电离气体。这种Z-pinch方法——如此命名是因为电流沿着第三个或Z这是一个三维网格的轴，有可能在一个更简单、更小、更便宜的设备上产生能量大型托卡马克装置或激光核聚变的机器正在开发中。

z缩等离子体在历史上一直受到不稳定性的困扰。在没有完全均匀挤压的情况下，等离子体会在几十纳秒内起皱、扭结并分解——这个时间太短了，无法产生足够的电量。

Zap能源公司的方法被称为剪切流稳定法，通过改变等离子体沿色谱柱的流动来控制这些不稳定性。该设计在等离子体柱的中轴线附近覆盖了更快流动的等离子体——想象一下，一股稳定的汽车流在高速公路的中心车道上行驶，由于两边的交通拥挤而无法改变车道。与之前的z夹点结构相比，这种结构可以使聚变反应等离子体保持更长的包围和压缩时间。

“我们认为我们的反应堆是最便宜、最紧凑、最可扩展的解决方案，是商业上可行的核聚变能源的最短路径，”他说本·莱维特他是Zap Energy公司的研发总监。莱维特预测，到2023年中期，Zap将达到Q=1，或科学上的盈亏平衡，即聚变原子释放的能量等于创造聚变条件所需的能量，这将使它成为第一个达到这一目标的聚变项目。

考虑到长期以来在聚变能源研究中违背承诺的情况，这种说法值得怀疑。但Zap在陡峭得令人生畏的技术曲线上迅速攀升，令人印象深刻。这家初创公司成立于2017年，是麻省理工学院FuZE (Fusion Z-pinch Experiment)研究团队的衍生产品华盛顿大学．就在第二年，该公司生产出了第一个聚变反应。在公司成立之前，该大学团队曾与劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员合作。他们赢得了美国能源部的一系列资助，使他们能够在逐步提高能量水平的情况下测试剪切流方法。到目前为止，该公司已经筹集了超过4000万美元。

当氘气体被注入Zap能源公司的FuZE-Q反应堆时，电极引入同步脉冲，从氘原子中剥离电子，产生等离子体或电离气体。等离子体向组装区域加速，在那里，电流在等离子体流中产生径向剪切或挤压。这种磁场保持稳定，因为它同时限制、压缩和加热等离子体到聚变条件。Zap能源

到目前为止，实验已经证实了预测等离子体将保持稳定的模拟，因为z缩电流被放大。这台新机器的预算成本约为400万美元，它将把脉冲的强度从500千安提高到650卡以上——这是莱维特和他的团队认为他们可以实现收支平衡的大约阈值。

“当我们不断增加注入的能量时，等离子体会保持稳定吗?”这是一个价值万亿美元的问题。”“我们有很多高保真的模拟，表明物理不会改变，剪切流机制在我们达到更高的固有能量时起作用。但我们需要证据，而我们离证据不远了。”

真实的世界经常对最自信的基于模拟的预测进行嘲弄，特别是在等离子体物理学中，在条件的最轻微变化中往往会出现意想不到的不稳定性。即使新的FuZE-Q机器实现了科学上的盈亏平衡，它也将留给未来的机器来产生更高的电流工程盈亏平衡，即输出的电力超过了产生聚变反应所需的电力。Zap希望在2026年达到这一里程碑。

“在过去的几十年里，很多团队都试图让Z-pinch方法发挥作用，现在Zap已经找到了一种方法来稳定剪切流，”他说马特·莫伊尼汉他曾是海军的核工程师和核聚变顾问。“令人兴奋的是，它在他们测试的条件下工作，但现在我们需要看看当他们扩大功率以获得净能量时，这种稳定性是否还能保持。”

没有人质疑的是对无碳、随时可用的电力来源的迫切需求。核聚变可能是解决办法，但主流方法成本太高，进展太慢，无法对气候危机产生影响。Zap的反应堆有一天也可以应用于先进的太空推进．连接到航天器上的Z-pinch反应堆的末端可以打开，让快速移动的等离子体逸出，释放出可以推动航天器前进的物质喷流。

在这一点上，核聚变驱动的太空飞行和核聚变驱动的电力都还停留在理论领域，但Zap能源公司的目标是星星。

本文以“一小撮融合”为题发表在2022年1月的印刷版上。