本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Philip Ball，原文标题：《民间产业发力，核聚变能源或指日可待 |《自然》长文》，头图来自：视觉中国
在伦敦以西的泰晤士河河弯处，坐落着一个名为卡勒姆的古老村庄，人类的未来怎么看都不像会从这里起航。但在2022年，这里将搭建一座由玻璃和钢铁建成的闪亮建筑，容纳一项重要技术——许多人相信，这项技术可以满足人类社会在21世纪及未来对清洁能源的需求。
世界上最强的高温超导磁体将被用于马萨诸塞州2025年运行的一座聚变反应堆。来源：Gretchen Ertl， CFS/MIT-PSFC， 2021
一直被嘲笑永远要等30年的核聚变技术，似乎终于等到了商业可行性的曙光。华盛顿特区代表核聚变行业的核聚变工业协会（FIA）去年10月开展的一项调查显示，目前全球共有30多家从事聚变技术的私营公司；其中已公开筹资情况的18家公司总共获得了逾24亿美元的融资，且几乎全部来自民间投资（见“聚变融资”）。材料学研究和计算机领域的进展是民间聚变产业得以蓬勃发展的关键，这些进展让它们得以追求除国家和国际机构一直坚持的标准设计之外的新技术。
作为英国数十年来的聚变研究中心，卡勒姆最近一项大工程是为加拿大本拿比的General Fusion公司（GF）建设一座示范站。这座示范站计划于2025年开始运行，该公司还打算在2030年代初出售反应堆。GF的首席执行官Chris Mowry说，除非竞争对手的速度更快，否则这“将是首个与发电站相关的大型示范项目”。
GF公司的这座示范站由英国建筑师Amanda Levete设计，标志着聚变研究已经从过去由国家或国际联合资助的庞大项目，转变为一种由私营企业推动、常受到国家支持的更注重形象感的活动。（GF公司将得到英国政府的部分资助，但尚未透露具体数目。）
General Fusion公司计划在英国卡勒姆建造的聚变电站效果图。来源：AL_A for General Fusion。
在这方面，聚变技术的倡导者认为，核聚变行业与航天业有许多相似之处。航天业原先也是集中在政府机构层面开展，但如今灵活的（尽管通常也受国家支持）私营领域充满干劲和想象力，为航天业注入了更多活力。Mowry说，这是“聚变行业的SpaceX时刻”。SpaceX是 Elon Musk在加州霍桑的一家太空探索公司。
“整个氛围都变了，”德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）的核聚变专家Thomas Klinger说，“我们感觉离目标越来越近了。”投资者也嗅到了可观的回报率：谷歌和纽约的投行高盛等都在投资TAE Technologies，这家总部位于加州Foothill Ranch的聚变公司已经筹集到了近8.8亿美元。“现在企业能建造的设施不比国家逊色。”位于马萨诸塞州的Commonwealth Fusion Systems（CFS）的首席执行官Bob Mumgaard说。
私营太空旅行正逐渐成为现实，许多行业观察员因此预测，同样的商业模式将在10年内完成核聚变的商业化——这也是实现能源经济脱碳的迫切需要。TAE Technologies的首席执行官Michl Binderbauer说：“我们很有可能在不到10年的时间里实现这个目标。”核聚变工业协会的报告称，大多数受访者都认为核聚变将于2030年代左右开始为世界上部分地区提供电力。
一名技术人员在TAE公司的Norman聚变示范堆内工作。来源：TAE Technologies
几位不在私营公司就职的聚变研究人员告诉《自然》，尽管前景的确令人兴奋，但10年内实现聚变商业化的想法过于乐观了。“私营公司说10年内就能成功，只不过是为了吸引投资者。”欧洲核聚变研发创新联盟（Eurofusion）的项目管理Tony Donné说。该联盟1970年代末在卡勒姆利用国家运营的欧洲联合环状反应堆（JET）开展实验。“对于可行的聚变反应堆，他们以前就一直许诺10年之期，现在还是这一套。”
我们不应该把企业的发展计划看作承诺，而是应该把它视为鼓舞人心的期望，Melanie Windridge说。Windridge是一名等离子体物理学家，目前担任核聚变工业协会在英国的公关部总监，同时担任核聚变公司Tokamak Energy的公关顾问。她说：“我认为设立远大目标是很重要的。”英国原子能管理局（UKAEA）的首席执行官Ian Chapman补充说，要建造一个真正能向电网供电的聚变电站，国家的支持可能也是必不可少的。
但不管是来自小规模的私营领域，还是由国家或国际上牵头的大型项目，抑或是两者合力攻关，真正可行的核聚变技术似乎已经不远了。“我相信它就要实现了。”Chapman说。Tokamak Energy的首席执行官Chris Kelsall也表示赞同。“这个难题迟早会被攻克，”他说，“结果将是革命性的。”
一、70年一梦
Klinger说，核聚变是“宇宙中仅剩的尚待开发的一次能源”。核聚变是恒星产能的主要形式，自人类1950年代将这种形式用于制造氢弹以来，技术专家一直梦想着以一种更可控的方式利用核聚变产生能量。
现有的核电站利用的是裂变反应：重原子（如铀）衰变时会释放能量；而聚变是通过聚合非常轻的原子核（通常是氢）来产生能量，聚变反应需要非常高的温度和压力条件。大部分核聚变反应堆主要通过加热氢同位素氘（D）和氚（T），直到它们形成等离子体——由电离原子和其他带电粒子组成的流体物质——然后发生融合（见“混合燃料”）。氘和氚发生聚变反应所需的温度和密度要低于普通氢原子。
氘氚聚变（D–T fusion）会以短寿命中子的形式产生一些辐射，但不会像裂变那样产生长寿命的放射性废物。氘氚聚变也比裂变更安全，因为它很容易停止：将等离子体的温度或密度降至反应阈值以下，核反应就不再继续。
混合燃料
许多反应堆通过氘（D）与氚（T）的聚变释放能量。这种混合物能在约1亿开尔文的温度下激发或产生自持的聚变反应。该反应会生成中子，使反应腔具有放射性。
其他反应，如质子（p）与硼-11（11B）的聚变不产生中子，但需要更高的点火温度。
然而，可控核聚变的难点在于，如何在约1亿开尔文的温度下——比太阳中心还热很多——约束正在聚变的带电等离子体。研究人员通常利用磁场来约束和悬浮反应堆内的等离子体。但是由于等离子体非常不稳定，使其约束变得极为困难，以至于到目前为止聚变反应还无法维持足够长的时间，无法实现能量输出大于输入。
这毫无疑问是一门大科学（big science）。进入21世纪前，只有国家运行的项目才能调集各种资源。这类研究的规模从当今世界最大的聚变计划ITER（国际热核聚变实验堆）中可见一斑。ITER是一个正在法国南部建造的聚变反应堆，由中国、欧盟成员国、美国、俄罗斯、韩国和日本等35个国家出资建造，造价至少达220亿美元。
位于法国的巨型ITER聚变反应堆内部的一个D形磁线圈（左）。来源：ITER Organization
尽管首次试运行定于2025年，但完全的氘氚聚变还要等到2035年，ITER的最终目标是以50兆瓦的输入功率，从反应堆持续获得500兆瓦的输出功率——相当于一个中型燃煤电厂的规模。（这些数字仅指直接输入和输出等离子体的能量；未考虑其他过程，如反应堆维护以及输出的聚变热能转换为电能的效率问题。）
ITER的真空室局部图，等离子体将被盛装在内。来源：ITER Organization
继ITER之后，各国可能会建设一系列大型反应堆：目前中国拥有三个向ITER提供成果的聚变反应堆，并计划在2030年代建造中国聚变工程实验堆（CFETR）。此外，韩国和欧盟都打算在ITER之后建造示范电站。
尽管人们希望聚变能在本世纪下半叶成为能源经济的关键组成部分，但各国和国际上的大型项目不会那么快成功，缓解气候变化所需的能源脱碳还有待时日。不过，私营企业希望能更快造出可用、成本适中的设备（见“聚变热潮”）。
聚变热潮
插图：Tomáš Müller
企业和政府正在开发不同类型的聚变反应堆。这些反应堆都是通过加热气体产生等离子体，并在超高温下实现等离子体约束，使原子核发生聚变，释放出能用于发电的能量。图中为五种主要的反应堆设计图。
托卡马克（ITER和其他设施）
用液氦冷却的超导磁线圈将等离子体盛装在环形容器中。
迷你托卡马克（Tokamak Energy、Commonwealth Fusion Systems等公司）
由高温超导体组成的磁体能产生更强的磁场，更易冷却，从而能够制造出更紧凑的球形托卡马克。
线性（碰撞束）反应堆 （TAE Technologies公司）
多束等离子体被发射到一个中央腔室，并在螺线管（线圈缠绕的电磁体）内快速旋转。
磁化靶反应堆 （General Fusion公司）
这种反应堆利用一个旋转的液态金属球来约束等离子体；再用一组活塞迅速压缩等离子体。等离子体可以先膨胀再压缩。
仿星器（Wendelstein 7-X）
通过一个复杂的扭曲环形磁场来约束等离子体。
与太空探索一样，相比于国家层面的统一研究，民间聚变行业的一大优势是能够尝试不同的技术。ITER使用一种最常见的方法来约束等离子体，即一种叫做托卡马克（tokamak）的装置。托卡马克使用强大的超导磁体，将等离子体约束在一个环形容器中。带电等离子体粒子本身的流动也会产生一个磁场，有助于进一步约束等离子体。
但托卡马克并非唯一的选择。在1950年代，即聚变技术的早期，美国天体物理学家Lyman Spitzer就证明了磁场可以被设计成扭曲的环状，很像数字8，这样就能形成一个可以容纳等离子体的“磁瓶”。这种设计被称为仿星器（stellarator）。但是，求解描述这种复杂几何结构的等离子体方程的计算量过于庞大。所以在托卡马克演示成功后，这个概念就基本上被放弃了。
然而，随着1980年代末超级计算机的出现，研究人员又拾起了这个概念。德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所进而提出了一个名为Wendelstein 7-X反应堆的仿星器项目。直到2015年进行首次等离子体测试前，该项目的建造、用人和运行成本就超过了10亿欧元（11.5亿美元），其中3.7亿欧元的建造费用大部分由德国政府承担。Wendelstein 7-X计划在2020年底完工。随后科学家们将用很长的时间研究如何将Wendelstein 7-X建设成示范性项目，实现常态化运行。
Wendelstein 7-X坐落于德国格赖夫斯瓦尔德，图为一名工程师在Wendelstein 7-X复杂的等离子体容器内部工作。来源：Stefan Sauer/dpa via Alamy
埃因霍温理工大学的核聚变物理学家Josefine Proll说，仿星器的优点在于等离子体更容易被约束，不需要（像托卡马克那样）依靠很强的电流来稳定它。但目前尚不清楚是否能在20到30年内将仿星器技术成功用于反应堆。她表示：“目前看起来不太可能。”“我们还有很多基础问题需要攻克，”Klinger说，“但这只是第一台仿星器，所以一定要有耐心，步步为营。”Klinger表示，私营公司设立短期目标是为了取悦股东——这并不等于他们就能如期交付。
二、其他设计
一些私营核聚变公司坚持使用托卡马克的设计，但缩小了其规模。Tokamak Energy公司有一支由165名人组成的团队，正在研究一个球形的托卡马克装置，其形状就像一个去核的苹果，直径3.5米，比ITER的托卡马克小了很多倍。算上周围的冷却设备，ITER的宽和高将近有30米。一些国家出资的项目也在考虑使用这种紧凑的球形设计，例如，英国原子能管理局已经启动了一个名为STEP（Spherical Tokamak for Energy Production）的项目。该项目计划在一座示范电站中修建一个球形托卡马克，目标是到2040年向国家电网输送至少100兆瓦的电力。英国原子能管理局已经列出了5个电站选址，预计会在今年敲定。
Tokamak Energy公司的ST40球形托卡马克中的氢等离子体。本视频无声音。来源：Tokamak Energy Ltd
一条条高温超导材料组成的新型磁体是这类设计的关键，原则上能比ITER使用的传统超导磁体产生更强的磁场。Klinger表示，这种新型磁体“或能改变聚变领域”——不仅因为它们能产生更强的磁场，还因为传统的超导体需要液氦冷却。液氦冷却在工艺上有一个致命问题：由于液氦的粘度几乎为零，所以它能通过极小的裂缝泄漏。相比之下，高温超导体可以用液氮冷却，液氮资源丰富、廉价且易于储存。
Tokamak Energy公司（与日内瓦近郊的欧洲粒子物理实验室CERN合作）和CFS公司都瞄准了这种新型磁铁。2021年8月，CFS公司宣布已经为他们的托卡马克造出了这种新型磁铁。“一切都在计划和预算之内。”Mumgaard自豪地说。
2018年，CFS从麻省理工学院的等离子体科学与聚变中心衍生出来，Klinger认为该公司是“最具前途、最有价值，且最深思熟虑的民间聚变项目”。麻省理工和CFS正准备建造Mumgaard所说的“首台实现能量净产出的聚变装置”，这里的净产出是指能量输出大于输入。这台装置名为SPARC，正在马萨诸塞州的德文斯开工建造。Mumgaard表示，SPARC将在2025年底前运行，将“具有商业意义”，因为它将产生约100兆瓦的电力。
研究人员正在研究CFS/MIT的SPARC反应堆所使用的磁铁。来源：Gretchen Ertl， CFS/MIT-PSFC， 2021
2011年从牛津大学衍生出来的First Light Fusion公司追求的是另一种不同的策略，这一策略被称为惯性约束。该方法不使用磁场来控制聚变等离子体，而是利用冲击波将其压缩到聚变所需的巨大密度，等离子体仅通过惯性保持一瞬间的形状，然后膨胀并释放能量。这个概念诞生于1950年代，如今加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的美国国家点火装置（NIF）正在进行相关研究。在那里，豌豆大小的装在塑料胶囊里的氘氚燃料被纳秒激光脉冲点燃内爆，从而引发核聚变。2021年8月，NIF报道了一次激光点火实验，这次实验产生的短暂能量输出是之前记录的8倍，达到了输入能量的70%。这次实验提振了人们对惯性约束激光聚变实现能量净收益的信心，但这种能源密集型过程可能更适合于基础研究而不是大规模发电。
First Light公司选择产生压缩冲击波的方式，并非使用非常耗能的激光，而是使用电磁弹射枪向含有氘氚的靶射出一小块物质。该公司对这一过程的细节保密，但他们曾表示，要实现核聚变，这种物质的发射速度就要达到每秒50千米——这是目前冲击波实验所能达到速度的两倍。
GF公司正在采取另一种称为磁化靶聚变的技术。这种技术会以更慢的速度压缩等离子体——比如使用活塞压缩——但需要借助磁场约束等离子体，以避免压缩时的能量耗散。这一想法由美国海军研究实验室在1970年代初提出，目的是在能量密集型强磁场（用于约束托卡马克等离子体）和能量密集型冲击波、激光等方法（惯性约束方法中用于迅速压缩等离子体）之间寻求一个折中方案。
GF公司在卡勒姆的反应堆使用离心机旋转一个充满熔融铅和锂的腔室。离心运动会在这些液态金属中创造出一个空腔，以容纳等离子体。活塞系统将更多液态金属泵入腔室，将等离子体压缩几十毫秒。聚变开始；然后压力释放，这一过程以脉冲的形式重复，周期约为一秒。
这个反应堆巧妙解决了氚燃料的问题——这是一种极其昂贵的资源，只能在核反应中产生，而且会迅速衰变。在ITER和其他设计中，当逃离反应堆的中子撞击托卡马克内部的锂涂层时，就会产生氚。而在GF使用的设计中，氚是通过中子撞击液态金属压缩系统中的锂而产生的。
如何制造一个能长时间持续，从而能被压缩的等离子体靶，并且能平稳迅速地破坏这个液态金属腔——GF公司前几年才刚刚攻克了这些关键技术难题。但该公司表示，等到它在英国的示范电站在2025年开始运行后，它将“在2030年代初提供清洁、稳定且平价的居民用电和工商业用电”。
General Fusion公司的技术人员正在调适用于该公司反应堆的等离子体注入器系统。来源：General Fusion
从某种程度上说，TAE Technologies公司的想法更加大胆。它计划彻底放弃氘氚燃料，转而利用硼-11原子与氢-1核（质子）聚变。这个想法得到了TAE的联合创始人、加拿大等离子体物理学家Norman Rostoker的支持，并被命名为p-11B聚变。这种聚变所需的温度是氘氚聚变的10倍——约10亿开尔文。它的优点是，选用的燃料资源丰富，且不会产生污染反应堆的中子。Binderbauer表示，这一概念的维护成本更低，可持续性较好。
在TAE的反应堆中，等离子体被约束在一个由螺线管制成的圆柱形磁场中——这种设计利用了粒子加速器技术。等离子体绕轴旋转；这种旋转就像转陀螺一样，能产生自稳定性。它的约束不需要很强的外部磁场；靠的主要是等离子体本身旋转产生的磁场约束。切向的硼束流为旋转体系注入角动量，以保持等离子体旋转，就像拿鞭子抽陀螺一样。
该公司已经建造了原型机来验证这种设计；自2017年以来，TAE一直在优化一款名为Norman的实验系统，如今他们正在着手开发一款名为Copernicus的设备。该设备将使用普通的氢（或其他非聚变的）等离子体，以避免产生中子。计算机能模拟出，使用真正的核聚变燃料时会产生多少能量。如果TAE达到了氘氚核聚变所需的条件——该公司希望能在2025年左右实现——它就计划将这项技术授权给其他有意使用该燃料的公司。Binderbauer将Copernicus视为达到p–11B所需温度的“垫脚石”。“我们相信能达到10亿开尔文，”他说，他希望这一目标能在2030年左右实现。
TAE的Norman实验反应堆。来源：TAE Technologies
在其他一众私营聚变公司中，华盛顿的Helion Energy公司是最受投资者青睐的：去年11月，Helion Energy宣布完成了一轮5亿美元的融资，使其融资总额达到5.78亿美元。他们的目标是直接利用聚变发电，而不是用它来加热流体或驱动涡轮机间接发电。Helion的技术需在线性反应器内同步启动等离子体脉冲，随后用磁场迅速压缩融合后的等离子体。当核聚变发生时，等离子体会发生膨胀，其产生的磁场会与反应器的外加磁场相互作用，从而产生电流。Helion公司希望能让氘和氦-3的混合物发生聚变，该反应不会产生中子这一副产物。但是氦-3本身就需要通过氘氘聚变来产生。该公司正在建造一个名为Polaris的示范堆，并计划在2024年前投入使用。
Helion技术的发电原理。本视频无声音。来源：Helion Energy
三、更平价的反应堆？
私营公司建造的反应堆在规模上不及ITER这种级别的项目，造价自然也会便宜得多。Tokamak Energy公司的联合创始人David Kingham想要打造几十亿美元的设备，而Binderbauer认为TAE的系统仅需约2.5亿美元。
私营企业的目标是造出能与现有电网适配的小型聚变反应堆。Kelsall说，这些小型反应堆还能用于能源密集型行业，如冶金这种无法使用可再生能源的行业。Mowry还表示，航运可能是另一个重要的市场：一款能产生近100兆瓦电力的设备“正好适合大型货船”。
不过，Donné仍对前景持谨慎态度，他表示，私营公司“与公家拨款的项目相比，正在疯狂地赶进度，但他们失败的风险也要高得多”。尽管如此，TAE坚持认为，他们仍能兑现2015年左右许下的承诺，即在2020年代末建成一台可以商业化的核聚变设备（见“未来承诺”）。
尽管心存怀疑，但Donné说：“我认为私营核聚变公司的蓬勃发展是一个好兆头。国家和私营聚变项目之间的密切往来是双赢。”这是显而易见的：私营聚变产业不仅站在了国家对ITER等项目多年投资的基础上，而且还受益于看好它的政府——这也是英国政府和美国能源部也在投资此类公司的原因，像是Tokamak Energy、CFS和GF。Mowry认为，这种公私伙伴关系是正确的前进方向——正如国家与企业合力开发新冠疫苗一样。和疫苗一样，聚变也是全世界的共同需要，在如今低收入国家能源消耗增加的情况下更是如此。
疫苗向我们展示了“掌握资源的力量”，Windridge说，“如果在能源方面也有这样的投入，我们将取得惊人的成就。”就像疫苗一样，社会也亟需更多清洁、无碳的能源。“这是一项存在主义挑战，”Mowry说，“核聚变就是应对气候变化的疫苗。”
本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Philip Ball
关键词： 可控核聚变
