核聚变的前景
原文標題：《如何掌握太陽之力？》
近一個世紀以來，天文學家和物理學家已經認識到了一種被稱為熱核聚變的過程。這一過程伴隨了太陽和恒星數百萬年甚至數十億年。自從這一發現以來，他們就夢想著把這種能源帶到地球上，用它來為現代世界提供動力。
在氣候變化日益加劇的今天，這個夢想只會變得更加引人注目。利用熱核聚變并將其輸送到世界電網中，可以使我們所有排放二氧化碳的燃煤和燃氣發電廠成為遙遠的回憶。核聚變發電廠可以不分晝夜源源不斷地提供零碳電力，不必擔心風或天氣的影響，而且沒有如今核裂變發電廠的缺點，例如潛在的災難性熔毀風險和帶來的必須隔離數千個世紀的放射性廢物。
事實上，核聚變與裂變恰恰相反；核聚變不是將鈾等重元素分裂成更輕的原子，而是通過將氫等輕元素的各種同位素合并成更重的原子來產生能量。
為了使這一遐想成為現實，核聚變科學家必須在地面上點燃核聚變 —— 這也就意味著科學家不具備像太陽中心那樣的高重力場的條件。在地球上做這件事意味著將這些輕同位素放入反應堆中，并找到一種方法將它加熱到數億攝氏度 —— 將它們變成類似于閃電內部的電離“等離子體”，只是溫度更高，更難控制。這意味著要找到一種控制閃電的方法，通常是用某種磁場來抓住等離子體，并在等離子體像生物一樣扭動、扭曲并試圖逃跑的時候緊緊抓住它。
退一步講，這兩個挑戰都是令人生畏。事實上，直到 2022 年底，在加州進行的一項耗資數十億美元的聚變實驗才最終獲得了一個微小的同位素樣本，該樣本釋放的熱能比點燃它的能量要多。而這個只持續了大約十分之一納秒的事件，必須由 192 臺世界上最強大的激光器的聯合輸出來觸發。
在當下，伴隨著越來越多的技術發明的實現，人類也愈發接近可控核聚變的實現。諸如高溫超導之類的新技術有望使聚變反應堆比以前看起來更小、更簡單、更便宜、更高效。更好的是，幾十年來緩慢而持續的進展似乎已經超過了一個臨界點，核聚變研究人員現在有足夠的經驗來設計等離子體實驗，這些實驗幾乎與預測一樣。
南加州 TAE 技術公司的 CEO 米歇爾?賓德鮑爾說：“人類即將迎來一個能夠發展出足夠技術實現可控核聚變的未來。”
事實上，自 1998 年 TAE 成為第一家商業核聚變公司以來，已有 40 多家商業核聚變公司成立 —— 其中大多數是在過去的五年中成立的。其中，許多公司的核聚變裝置有望在未來十年內投入運作。“雖然，我們已經極盡所能來實現我們的目標，”核聚變工業協會的首席執行官安德魯?霍蘭德說，該協會是他于 2018 年在華盛頓特區成立的一個倡導組織。“但我認為這還遠遠不夠，我們還在不斷尋求越來越多的公司帶著不同的想法加入到我們的行業中來。”
核聚變領域的發展一直是資本的關注重點，致力于可控核聚變技術的初創公司已經募集到了大約 60 億美元的資金，并還在持續。“可控核聚變的新技術和資本的結合形成了一種協同效應。”喬納森?梅納德，新澤西州能源部普林斯頓等離子體物理實驗室的研究主管表示。
當然，我們有充分的理由保持謹慎 —— 首先事實上，到目前為止，這些公司都沒有證明它可以，甚至是短暫產生出凈聚變能源，更不用說在十年內實現可控核聚變的商業化運營。梅納德說：“許多公司甚至承諾會在一段有限的時間內完成我們認為基本不太可能實現的目標。”不過，他補充道：“我們很樂意被證明是錯的。”
目前有 40 多家公司正在嘗試可控核聚變技術，我們很快就會知道到底哪家企業會脫穎而出。與此同時，為了讓大家對實現可控核聚技術這一目標有大致的概念，我們將羅列出目前實現可控核聚變所面臨的挑戰，以及目前為了解決這些問題，這些企業所提出來的最優設計。
聚變的先決條件
實現可控核聚變的第一個挑戰是點火，可以這么說：核聚變裝置必須要使各類核燃料，即多種混合同位素，相互混合，并使原子核接觸、聚變并釋放出能量。
這意味著字面上的“接觸”：核聚變是一項接觸運動，直到原子核正面相撞，反應才會開始。讓這個問題變得棘手的是，每個原子核都含有帶正電荷的質子，而正電荷相互排斥。所以克服排斥力的唯一方法是讓原子核快速運動，使它們在發生偏轉之前發生碰撞和聚變。
因此，發生核聚變過程至少需要 1 億攝氏度的等離子體溫度，而這只是氫的兩種重同位素氘和氚的燃料混合物的溫度。其他同位素的混合物會變得更熱 —— 這就是為什么“氘-氚混合燃料物”(D-T) 仍然是大多數反應堆設計中選擇的燃料。
但無論核聚變所采用的燃料是什么，達到核聚變溫度的關鍵在于外界環境輸入的能量與等離子體離子之間的競賽: 研究人員試圖用微波或中性原子的高能束等外部源輸入能量，而等離子體離子則試圖以和接收能量般的速度快速地將能量輻射出去。
最終的目標是讓等離子體超過“點火”的溫度，在這個溫度下，核聚變反應將開始產生足夠的內部能量來彌補輻射掉的能量，此外還可以為一兩個城市供電。但這就引出了第二個挑戰: 一旦火被點燃，任何應用的反應堆都必須保持這個過程持續發生 —— 也就是說，把這些過熱的原子核限制在足夠近的地方，使它們能夠在足夠長的時間內保持合理的碰撞速率，以產生有用的能量流。
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室內，因為散失的空氣分子會使等離子體冷卻，使反應熄滅。但這也意味著要讓等離子體遠離腔壁，腔壁比等離子體冷得多，即使最輕微的接觸也會破壞反應。問題是，如果你試圖用非物理屏障 (比如強磁場) 使等離子體遠離壁，離子的流動將很快被等離子體內部的電流和磁場扭曲，變得無用。除非，你已經非常嚴謹地設計過裝置中場的分布 —— 這也是不同核聚變方案之間最顯著的差異。
最后，實用的反應堆必須包括一些提取聚變能并將其轉化為穩定電能的方法。盡管對于這最后一項挑戰，工程師們從來都不乏創意，但是這個過程的關鍵取決于反應堆使用的燃料混合物。
以氘-氚燃料為例，該反應產生的大部分能量是以一種名為中子的高速粒子的形式產生的，這種粒子不受磁場的限制，因為它們不帶電荷。由于不帶電荷，中子不僅可以穿過磁場，還可以穿過反應堆壁。因此，等離子體室必須被一層“毯子”包圍: 一層由鉛或鋼等重材料組成的厚層，可以吸收中子并將其能量轉化為熱量。然后，熱量可以傳遞給鍋爐機組，并通過傳統發電廠使用的相同類型的蒸汽渦輪機發電。
許多 DT 反應堆的設計還要求在包層材料中加入一些鋰，這樣中子就會與鋰元素反應，產生新的氚核。這一步至關重要: 因為每次 DT 聚變都會消耗一個氚核，而且這種同位素具有放射性，在自然界中不存在，如果不向反應堆補充燃料，反應堆很快就會耗盡燃料。
DT 燃料的復雜性足以讓一些更大膽的聚變初創公司選擇另一些能產生更好效果的燃料混合物。例如，賓德鮑爾的 TAE 公司的目標是發展出一種終極聚變燃料：質子和硼-11 的混合物。這兩種成分不僅穩定、無毒、豐富，而且它們唯一的反應產物是三個帶正電的氦-4 原子核，它們的能量很容易被磁場捕獲，不需要毯子式包裹。
但是替代燃料面臨著不同的挑戰，比如 TAE 必須將質子-硼-11 混合物的聚變溫度提高到至少 10 億攝氏度，大約是 DT 閾值的 10 倍。
托卡馬克裝置
點燃等離子體、維持核聚變反應和提取能量 —— 這三個挑戰的基本原理從核聚變發展的早期就被研究清楚了。到了 20 世紀 50 年代，專注于核聚變裝置的研究人員已經開始提出許多解決這些問題的方案 —— 但是大部分方案，在 1968 年蘇聯物理學家公布了一類名為托卡馬克的設計后，被擱置了。
像早期的幾個反應堆概念一樣，托卡馬克的特點是等離子體室有點像一個空心的甜甜圈 —— 這種形狀允許離子無休止地循環而不會撞到任何東西 —— 并通過環繞在環流外面的載流線圈產生的磁場來控制等離子體離子。
但托卡馬克也有一組新的線圈，可以使電流在等離子體中繞著約束環旋轉，就像一個圓形的閃電。這種電流使磁場發生了一定的旋轉，對穩定等離子體起到了重要的作用。雖然第一臺托卡馬克仍然無法達到動力反應堆所需的溫度和約束時間，但比先前的設計都要好得多。因此再次之后，研究人員幾乎全部轉而發展托卡馬克。
從那時起，全世界已經建造了 200 多個不同設計的托卡馬克，物理學家們對托卡馬克等離子體有了更深入的了解，他們可以自信地預測未來機器的性能。正是由于這種信心，一個由多個私募基金聯合設立的金融組織愿意投入 200 多億美元來建造 ITER (拉丁語意為“道路”): 將托卡馬克放大到 10 層樓那么大。ITER 從 2010 年開始在法國南部建設，預計將在 2035 年開始使用氘-氚燃料進行實驗。物理學家非常肯定，當它實現時，ITER 將能夠每次保持和研究燃燒的聚變等離子體數分鐘，提供一個獨特的數據寶庫，有望在電力反應堆的建設中發揮作用。
ITER 不僅是一座實驗型核聚變發電，也是一臺比常規核電站具有更多儀器和功能的實驗裝置 ——ITER 巨大的成本促使兩家專注核聚變商業化的初創公司正在競相開發更小、更簡單、更便宜的托卡馬克反應堆。
首先脫穎而出的是托卡馬克能源公司，一家成立于 2009 年的英國公司。多年來，該公司已經獲得了約 2.5 億美元的風險投資，用于開發基于“球形托卡馬克”的反應堆 —— 一種特別袖珍的變型，看起來更像一個帶核的蘋果，而不是甜甜圈。
但馬薩諸塞州的聯邦聚變系統 (Commonwealth Fusion Systems) 發展很快，這是麻省理工學院的一個分支機構，直到 2018 年才推出。雖然聯邦公司的托卡馬克設計使用了更傳統的環形結構，但通過麻省理工學院廣泛的籌款網絡，該公司已經獲得了近 20 億美元的資金。
這兩家公司都是最早使用高溫超導體 (HTS) 電纜產生磁場的公司。這些材料早在 20 世紀 80 年代就被發現，但直到最近才以電纜的形式出現，即使在相對高溫的 77 開爾文 (-196 攝氏度) 下也能無電阻地傳輸電流，這個溫度足以用液氮或液氦來實現。這使得高溫超導電纜比 ITER 使用的電纜更容易冷卻，也更便宜。
但更重要的是，與低溫電纜相比，高溫超導電纜可以在更小的空間內產生更強的磁場，這意味著兩家公司都能夠將他們的發電廠設計縮小到 ITER 的一小部分。
盡管托卡馬克一直占據主導地位，但如今大多數核聚變初創公司都沒有使用這種設計。他們正在復興比托卡馬克工作起來更小、更簡單、更便宜的舊替代。
等離子體漩渦
這些復興設計的主要例子是基于被稱為場反轉結構 (FRC) 的煙環狀等離子體漩渦的聚變反應堆。FRC 漩渦就像一根胖胖的空心雪茄，繞著它的軸像陀螺一樣旋轉，它用自己內部的電流和磁場把自己固定在一起 —— 這就意味著 FRC 反應堆不需要讓它的離子在環形等離子體室里不停地循環。至少理論上，渦流會安穩地呆在一個直的圓柱形腔內，只需要一個輕觸的外部場來保持它的穩定。這意味著基于 FRC 的反應堆可以拋棄大部分昂貴、耗電的外部磁場線圈，使其比托卡馬克或幾乎任何其他東西都更小、更簡單、更便宜。
不幸的是，從實踐看來，早在 20 世紀 60 年代對 FRC 的第一次實驗就發現，它們似乎總是在幾百微秒內就會失去控制，這就是為什么這種方法在托卡馬克盛行的時代大多被擱置在一邊。
然而，FRC 反應堆的簡單性一直具有吸引力。事實上，FRC 裝置能夠在等離子體達到極端高溫下保持穩定 —— 這就是為什么 TAE 在 1998 年選擇了 FRC 作為核聚變裝置，當時該公司開始尋求利用在 10 億度發生的質子-硼-11 聚變反應。
賓德鮑爾和他的 TAE 聯合創始人、已故物理學家諾曼?羅斯托克 (Norman Rostoker) 提出了一個可以無限期地穩定和維持 FRC 渦旋的方案: 只要沿著渦旋的外緣發射新鮮燃料束，就能保持等離子體的高溫和高自旋速率。
直到 2010 年代中期，TAE 團隊已經證明，只要粒子束注入器有能量，從側面進入的粒子束確實會保持 FRC 旋轉和穩定。而這些能夠可以從燃燒的質子-硼-11 的反應堆中提取得到。到 2022 年，他們已經證明了他們的 FRCs 可以在 7000 萬攝氏度以上保持這種穩定性。
下一臺場反轉結構反應堆 ——30 米長的哥白尼號，計劃于 2025 年完工的。TAE 希望實際達到 1 億度以上的燃燒條件。這一反應堆能夠為 TAE 團隊設計更高溫度的核聚變反應堆設計提供必要的數據。
等離子體容器
與此同時，加拿大溫哥華的通用核聚變公司正與英國原子能管理局合作，建造一座基于一個可能是最新穎的原理 —— 磁化定向核聚變裝置 —— 的示范反應堆。這個 20 世紀 70 年代的概念相當于向一個金屬罐子發射等離子體渦流，然后把罐子壓碎。如果速度足夠快，捕獲的等離子體將被壓縮并加熱到聚變條件。保持這樣做，一個或多或少連續的核聚變能量脈沖串就會回來，你就會擁有一個動力反應堆。
在通用聚變公司目前的概念中，金屬罐將被熔化的鉛鋰混合物所取代，這種混合物通過離心力在以 400 轉 / 分的速度旋轉的圓柱形容器的兩側保持。在每個反應堆循環開始時，一個向下指向的等離子體槍將注入電離氘-氚燃料的漩渦 ——“磁化靶”—— 這將短暫地把旋轉的金屬內襯容器變成一個微型球形托卡馬克。接著，排列在容器外部的壓縮空氣活塞將推動鉛鋰混合物進入渦流，在大約 5 毫秒內將其從直徑 3 米壓縮到 30 厘米，并將氘-氚提高到聚變溫度。
由此產生的沖擊波將沖擊熔融的鉛鋰混合物，將其推回到旋轉的圓柱體壁上，并重新設置系統以進行下一個循環 —— 大約一秒鐘后開始。與此同時，在一個更慢的時間尺度上，泵將穩定地將熔融金屬循環到外部，以便于熱交換器可以收集它吸收的聚變能量，而其他系統可以清除中子-鋰相互作用產生的氚。
所有這些活動部件都需要一些復雜的編排設計，但只要一切都按照模擬所顯示的方式進行，該公司希望在 21 世紀 30 年代建造一座全面的氘-氚燃燒發電廠。
沒有人知道這里提到的特殊反應堆概念何時 (或者是否) 會成為真正的商業發電廠，或者是否第一個進入市場的反應堆將是其他 40 多家核聚變公司正在開發的眾多替代反應堆設計之一。
但是，這些公司中很少有人認為對核聚變能源的探索是一場競技或零和博弈。他們中的許多人形容他們的競爭激烈，但基本上是友好的 —— 主要是因為，在一個迫切需要任何形式的無碳能源的世界里，發展多種類型的聚變反應堆具有廣闊的商業前景。
“我會說我的想法比他們的好。但如果你問他們，他們可能會告訴你他們的想法比我的好，”通用聚變公司的創始人兼首席科學家、物理學家米歇爾?拉伯格 (Michel Laberge) 說。“他們中的大多數人都是認真的研究人員，他們的計劃沒有根本性的缺陷。”他說，因為有了更多的可能性，所以核聚變的實際成功的幾率就會提高。“我們在這個星球上確實需要核聚變，非常需要。”
作者：M. Mitchell Waldrop
翻譯：深淺
審校：7 號機
原文鏈接：Pursuing fusion power
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：M. Waldrop
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總結
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