在2021年12月初的一個陰天，一輛黃色的運(yùn)土車從美國馬薩諸塞州德文斯的一個深坑邊緣舀出泥土，這里是距離波士頓約50英里的一個舊陸軍基地的所在地。

這里是SPARC的未來之家，一個核聚變反應(yīng)堆的原型，如果一切進(jìn)行順利，將實現(xiàn)一個近一個世紀(jì)以來物理學(xué)家都無法實現(xiàn)的目標(biāo)。它將從原子聚變中產(chǎn)生更多的能量，比實現(xiàn)和維持這些反應(yīng)所需的能量更多，這與太陽產(chǎn)生能量的原理相同。

SPARC是由Commonwealth Fusion Systems（下稱CFS）與麻省理工學(xué)院等離子科學(xué)與融合中心合作開發(fā)的托卡馬克。托卡馬克，又稱環(huán)磁機(jī)，是一種利用磁約束來實現(xiàn)磁約束聚變的環(huán)型容器。

CFS的科學(xué)家們預(yù)計，到2025年的某個時間點(diǎn)，他們的機(jī)器將突破這個門檻，產(chǎn)生的能量是其消耗的10倍。他們說，這一示范將使這家初創(chuàng)公司能夠在21世紀(jì)30年代早期開發(fā)出能夠提供與小型煤廠一樣多電能的正常尺寸的設(shè)備。

利用核聚變的設(shè)備可從豐富的燃料來源中提供廉價的無碳能源，這些燃料主要來自水。最重要的是，核聚變將產(chǎn)生持續(xù)、穩(wěn)定的電流，在太陽能和風(fēng)能消失的幾小時、幾天、甚至幾周內(nèi)填補(bǔ)空白。這樣一來，它將簡化通向零排放電力的道路，消除對能源儲存突破性技術(shù)的需求，消除對昂貴的電池系統(tǒng)的需求，以及持續(xù)的對煤炭和天然氣工廠的依賴以維持企業(yè)運(yùn)作。

然而，實現(xiàn)核聚變的技術(shù)復(fù)雜性和巨大成本一再使科學(xué)家的希望破滅，并使懷疑論者的立場更加堅定。長期以來，該領(lǐng)域?qū)ψ罱K提供凈能源的反應(yīng)堆的最大希望是國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆，這是一個在20世紀(jì)80年代首次構(gòu)想出來的國際研究合作。但是，它在法國南部占地約100英畝的設(shè)施的成本已經(jīng)增加了兩倍多，上升到至少220億美元。該項目已經(jīng)拖延了十多年，距離完成還有好幾年。而且，即使國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆最終成功，所研發(fā)的核聚變技術(shù)也可能成本太高，無法廣泛商業(yè)化。

CFS相信它可以提供一種與國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆截然相反的核聚變機(jī)器：體積小、建造快、成本更低。原型機(jī)應(yīng)該花費(fèi)數(shù)億美元，而不是數(shù)百億美元，并且需要幾年而不是幾十年的時間來建造。

技術(shù)的關(guān)鍵是這家初創(chuàng)公司開發(fā)的一種新型磁鐵。該領(lǐng)域正在密切關(guān)注這一努力，因為該團(tuán)隊已經(jīng)通過使用一種新型的超導(dǎo)材料，來建造同類產(chǎn)品中最強(qiáng)大的磁鐵，取得了無可爭議的科學(xué)進(jìn)步。在2021年9月的一次測試中，該磁鐵達(dá)到了20特斯拉的場強(qiáng)。它的強(qiáng)度幾乎是國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆同類磁體的兩倍，后者依靠的是早期的超導(dǎo)材料。

磁鐵可以用來限制等離子體，即發(fā)生核聚變反應(yīng)的處于超熱狀態(tài)的物質(zhì)。這些磁鐵的威力越大，這樣就能在一個更小的空間內(nèi)產(chǎn)生更多的原子碰撞、反應(yīng)和能量。用CFS的磁鐵陣列建造的核聚變裝置應(yīng)該能夠產(chǎn)生與依靠國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆技術(shù)的核聚變裝置一樣多的能量，然而裝置的大小僅為1/40。

任何挑戰(zhàn)仍然可能絆倒CFS，或者至少使進(jìn)度偏離其雄心勃勃的時間線。目前，還沒有人能夠讓核聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生凈能量。CFS的磁鐵還沒有在一個工作的反應(yīng)堆中進(jìn)行測試。簡而言之，聚變?nèi)匀皇且豁椄叨葘嶒炐院臀唇?jīng)證實的技術(shù)。

但是，在經(jīng)歷了幾十年的失望之后，也有了希望，那就是它可能成功。而且，該公司及其支持者至少相信，他們有望及時提供商業(yè)核聚變技術(shù)，使其在未來幾十年向無碳能源過渡的過程中發(fā)揮重要作用。麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)和核聚變中心主任、CFS的聯(lián)合創(chuàng)始人丹尼斯·懷特說：“大概在五年前，當(dāng)我們在構(gòu)建這整個項目時，速度一直是很重要的”。

“最緊迫的事情是，你能及時準(zhǔn)備好，以便在氣候變化方面產(chǎn)生影響嗎？”他說，“最大的風(fēng)險是不能及時到達(dá)那里”。

與煤炭或天然氣工廠不同，聚變反應(yīng)堆不會產(chǎn)生導(dǎo)致氣候變化的溫室氣體。同時，它們沒有燃料耗盡的真正風(fēng)險，而且與獲取燃料相關(guān)的環(huán)境損失也較小。另外，與它的“近親”核裂變不同，聚變不需要開采或管理放射性鈾。

相反，CFS的機(jī)器，像大多數(shù)其他核聚變反應(yīng)堆一樣，將依靠氘和氚，這是兩種氫的天然同位素。

海洋中充滿了氘，美國能源部指出，海水中每5000個氫分子中有一個是由氘組成的，并且一加侖氘可以產(chǎn)生相當(dāng)于300加侖汽油的能量。

從水中提取氘的方法已經(jīng)確立，而且是常規(guī)方法。氚，其原子核中含有兩個中子，而氘只有一個，在自然界中更為罕見，但它可以從鋰中提取。

與風(fēng)能和太陽能等可再生能源相比，核聚變可以在更小的范圍內(nèi)產(chǎn)生更多的能量，而且它可以提供一個永遠(yuǎn)在線的電力來源，不因天氣或一天中時間的變化而下降。

這種所謂的基本負(fù)載功率對可靠的電網(wǎng)是必不可少的，對它的需求是電力部門難以擺脫化石燃料的一個關(guān)鍵原因?！澳壳暗目稍偕茉聪到y(tǒng)是好的也是必要的，但不足以解決氣候變化問題，”CFS的聯(lián)合創(chuàng)始人和首席科學(xué)家布蘭登·索爾本說道，“需要在這個組合中加入一種清潔的基載形式的電力。我們認(rèn)為這個大的問題也需要‘大錘子’去解決，這就是核聚變?！?/p>

幾十年來，許多人都設(shè)想過核裂變會發(fā)揮這樣的作用，而且許多人仍然這樣想。但是，許多公眾和許多國家都拒絕了它，因為裂變反應(yīng)堆的建造成本很高，很容易超過50億美元，還有真實的和潛在的危險，包括對不斷增加的放射性廢物的擔(dān)憂。相比之下，核聚變沒有熔斷風(fēng)險，避免了像切爾諾貝利、三里島和福島等災(zāi)難的威脅。

氚具有放射性，聚變過程會釋放中子，這兩點(diǎn)都需要嚴(yán)格的安全協(xié)議來處理材料，并最終正式停止使用核電站工廠。但是，核聚變不會像裂變反應(yīng)堆那樣產(chǎn)生長期的放射性廢物。

希望較低的風(fēng)險將使其更快、更容易獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)和施工許可，一旦該技術(shù)確實可行，將加速其推廣。

不同研究小組在試圖模仿太陽的能量來源時采取了不同方法，但是他們都從產(chǎn)生大量的熱量開始，溫度超過1億攝氏度。

與國際熱核實驗反應(yīng)堆及其他項目一樣，CFS計劃建造所謂的托卡馬克反應(yīng)堆，這是一個空心的甜甜圈形狀的裝置，將填充包括氘和氚原子的氣體。該裝置將通過給那些超強(qiáng)磁鐵供電，利用電流產(chǎn)生電阻式加熱，然后應(yīng)用無線電波來穩(wěn)定地提高溫度。

當(dāng)溫度上升到足夠高時，由于電子從原子核中被推開，原子開始破裂，從而形成了等離子體。電子和帶正電的原子核在托卡馬克的內(nèi)部移動。

環(huán)繞托卡馬克的磁鐵形成了一個“磁瓶”，緊緊地包含著等離子體，較高的磁場大大減少了熱損失。兩個核子偶爾會有效地相互碰撞，質(zhì)子和中子有時會結(jié)合起來，形成一個氦原子的原子核，釋放出一個中子并產(chǎn)生大量的能量。

在太陽中，這些反應(yīng)產(chǎn)生的熱量是自我維持的，從而帶來更多的碰撞和聚變，并且一直持續(xù)下去。但核聚變產(chǎn)業(yè)并不一定要達(dá)到這一點(diǎn)，即所謂的點(diǎn)火，才能創(chuàng)造出有利可圖的發(fā)電廠。反應(yīng)堆只需要讓產(chǎn)出比所需的投入更多，具體數(shù)量取決于設(shè)施的基本成本。

該領(lǐng)域的普遍觀點(diǎn)是，研究小組已經(jīng)解決了生產(chǎn)核聚變能源所需的硬核科學(xué)問題，即使這一科學(xué)問題不是很具有一般性。大多數(shù)人認(rèn)為，一旦國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆最終上線并滿負(fù)荷運(yùn)行，它至少能夠產(chǎn)生有意義的凈能量。

但是，建造一臺能夠達(dá)到這些條件的巨型機(jī)器的復(fù)雜性和成本已經(jīng)阻礙了核聚變的發(fā)展。盡管國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆于2007年開始建造，但它計劃到2035年才完全投入使用，比原定計劃晚了十多年。而且有些人認(rèn)為，最后的價格將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在估計的220億美元。

CFS采用的是與國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆相同的基本聚變科學(xué);真正的區(qū)別在于磁鐵。排列在國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆內(nèi)的11.8特斯拉的主要磁體是由超導(dǎo)鈮鈦或鈮錫材料制成的，這需要極低的溫度。CFS利用了所謂的高溫超導(dǎo)體，它具有幾個關(guān)鍵的優(yōu)勢，這可能會在經(jīng)濟(jì)上和時間線上產(chǎn)生差異。

科學(xué)家們早就知道，某些材料在特定條件下可以無阻力導(dǎo)電，允許電子自由流動，而不會在這個過程中釋放出熱量或失去其他形式的能量。這使得高電流能夠在這些所謂的超導(dǎo)體周圍產(chǎn)生強(qiáng)磁場。

為了使汞和鉛等早期超導(dǎo)材料達(dá)到這種狀態(tài)，研究人員必須將它們冷卻到接近絕對零度，或大約-460°F，但這一操作需要使用液氦，從而限制了實際應(yīng)用。

但是在20世紀(jì)80年代，研究人員發(fā)現(xiàn)了一類陶瓷，它們在相對更高的溫度下變得超導(dǎo)，盡管仍然溫度較低大約為一280°F。這聽起來可能差別不大，但它可以用液氮實現(xiàn)，且液氮更便宜，更容易處理。

俄亥俄州立大學(xué)超導(dǎo)和磁性材料中心副主任邁克·桑普森說，這些高溫超導(dǎo)體也可以創(chuàng)造出更強(qiáng)大的磁場。物理學(xué)家們開始夢想著他們所認(rèn)為的這些材料很快就能衍生出的新技術(shù)，如懸浮列車、超高分辨率的核磁共振成像，以及非常強(qiáng)大的磁鐵。

但是，高溫超導(dǎo)體的工作極其困難。幾十年后，制造商才想出了如何將其制造成長線，這需要制造高度排列的晶體，并將它們均勻地鋪在金屬基底上，形成微米級的薄層。

2009年，麻省理工學(xué)院的丹尼斯·懷特偶然發(fā)現(xiàn)一位同事拿著一捆類似膠帶的材料穿過走廊。那是高溫超導(dǎo)線材的早期原型，由釔鋇銅氧化物材料制成。懷特立即意識到它在核聚變中的應(yīng)用潛力，并在他的一門課程中分配給研究生一個任務(wù)，即利用磁帶可能產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場，設(shè)計一個緊湊的反應(yīng)堆。

設(shè)計工作蔓延到麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)和聚變中心的后續(xù)課程和研究工作。

2015年，參與的研究人員設(shè)計了一個使用新材料的緊湊型核聚變工廠，可以產(chǎn)生200兆瓦的電力。他們將其命名為ARC即《鋼鐵俠》漫畫中托尼一斯塔克虛構(gòu)的聚變反應(yīng)堆的名字。

2018年，該團(tuán)隊籌集了數(shù)千萬美元的私人資金，并分拆出CFS公司，繼續(xù)與麻省理工學(xué)院緊密合作。

那時，這種高溫超導(dǎo)線材已經(jīng)商業(yè)化。但這只是創(chuàng)建該公司所需的磁鐵的起點(diǎn)：它必須是強(qiáng)大的、節(jié)能的和可靠的，同時還要在中間設(shè)計一個大的“孔”或洞，以便為等離子體提供空間。

該團(tuán)隊不得不與少數(shù)制造商密切合作，以確保足夠的磁帶供應(yīng)（因為僅第一個磁鐵測試就有幾百英里），同時根據(jù)他們的目的進(jìn)行優(yōu)化。

一旦這些材料符合他們的規(guī)格，他們?nèi)匀恍枰獙⑺鼈冝D(zhuǎn)化為一個巨大的磁鐵。這首先需要將一層層的薄磁帶堆積成一個厚實的、可承載必要電流的集成堆棧。在早期發(fā)表的一篇論文中，研究人員描述了一種方法，通過將幾十到幾百層磁帶纏繞和焊接在一起來創(chuàng)造一條電纜。

該公司拒絕討論他們?nèi)绾蝿?chuàng)建現(xiàn)在使用的超導(dǎo)磁帶堆的特殊細(xì)節(jié)。但是為了把它變成測試用的磁鐵，研究小組需要將這些磁鐵層卷起來，使其對齊從而增強(qiáng)磁場，就像你在小學(xué)時可能將銅線纏繞在釘子上，并將其與電池連接起來以創(chuàng)造一個電磁鐵一樣。CFS搭建了16層磁鐵，研究人員稱之為煎餅，每層都有16圈的線圈。然后他們把這些煎餅堆在一起，用適當(dāng)?shù)慕宇^連接起來，創(chuàng)造了一個重10噸、高8英尺、D形的超級磁鐵，里面裝著盤繞了256圈長達(dá)165英里的超導(dǎo)磁帶。

2021年夏天，麻省理工學(xué)院和CFS的研究人員將磁鐵放置在一個橢圓形的試驗臺上，旨在重復(fù)托卡馬克的工作條件。8月下旬，他們開始了長達(dá)一周的準(zhǔn)備，將磁鐵冷卻到低溫，疏散它周圍的真空室，并在高壓下慢慢加入氦氣。

一旦溫度足夠低，該團(tuán)隊就開始給磁鐵充電。

科學(xué)家們坐在相鄰的一間控制室里，他們將磁場強(qiáng)度推得越來越高的同時，也監(jiān)控著屏幕上的數(shù)據(jù)。2021年9月5日黎明前，研究小組的大部分成員，以及麻省理工學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和這家初創(chuàng)公司的財政支持者都聚集在這個房間里。早上6點(diǎn)左右，研究小組終于將磁鐵推到20特斯拉（T）以上，打破了大口徑高溫超導(dǎo)電磁鐵的記錄。

“當(dāng)它超過20特斯拉時，什么也沒有發(fā)生，這讓我欣喜若狂，”懷特說?！俺藲g呼聲外，什么也沒有發(fā)生。”

SPARC，即CFS公司目前正在德文斯建造的原型反應(yīng)堆，將包括18個這樣的強(qiáng)大磁鐵，圍繞著托卡馬克并產(chǎn)生磁場，將等離子體緊緊地控制在其中。CFS團(tuán)隊在2020年9月共同撰寫的一篇論文中計算出，該原型反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量可能是其消耗的11倍之多。

索爾本堅持認(rèn)為，磁鐵測試曾是CFS面臨的主要工程障礙。他說，現(xiàn)在的主要的問題變成了執(zhí)行。

其他研究實驗室和初創(chuàng)公司也在匯報核聚變的進(jìn)展。但是，盡管正在取得科學(xué)進(jìn)展，許多專家仍然懷疑我們會像CFS和其他公司所認(rèn)為的那樣迅速看到工作的商業(yè)反應(yīng)堆。

尚未有實驗室從核聚變中產(chǎn)生凈能量，更不用說可以在數(shù)月內(nèi)產(chǎn)生廉價、穩(wěn)定、可靠的電力的持續(xù)反應(yīng)。

倡導(dǎo)利用核能解決氣候變化問題的良好能源集體組織的創(chuàng)始人杰西卡·洛弗林認(rèn)為，核聚變并不像一些人所說的那樣迫在眉睫?！昂芏噙@些公司都說他們會在5年或10年內(nèi)展示，”她說，“我認(rèn)為這更像是一種承諾，以幫助他們獲得投資。這就是我們在各種技術(shù)中看到的標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)炒作?！?/p>

該技術(shù)還將面臨監(jiān)管挑戰(zhàn)，新興產(chǎn)業(yè)當(dāng)然希望聚變反應(yīng)堆將被證明比裂變反應(yīng)堆更容易獲得許可和建造，因為裂變反應(yīng)堆的建造可能需要10年時間。

瑞秋·斯萊博格說，核聚變并非沒有風(fēng)險。直到最近她還是加州大學(xué)伯克利分校的核工程教授。

與核裂變工廠一樣，小型聚變反應(yīng)堆在錯誤的人手中可能被用來生產(chǎn)可為武器提供動力的放射性材料。而且，仍然有可能發(fā)生嚴(yán)重的工業(yè)事故，例如，當(dāng)反應(yīng)堆的主要部件在真空中運(yùn)行時，會出現(xiàn)極端的壓力差。

斯萊博格說，即使風(fēng)險比與裂變相關(guān)的風(fēng)險要小，它們也將需要監(jiān)管審查和安全標(biāo)準(zhǔn)。她說：“在獲得核聚變技術(shù)之后，可能會有這樣的認(rèn)識：‘哦，仍然有輻射和安全隱患’。”她擔(dān)心，“關(guān)于超級便宜的電能的承諾在它實現(xiàn)之后將變得不那么美好”。

加州大學(xué)伯克利分校研究核聚變反應(yīng)堆設(shè)計的教授愛德華·莫爾斯說，前面還有真正的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，CFS仍然需要測試當(dāng)所有18個磁體一起運(yùn)作時，這些組件在更大的壓力下是如何保持穩(wěn)定的。

“它可能因為各種難以解釋的原因而失敗?！彼f。

莫爾斯一直對核聚變初創(chuàng)公司持批評態(tài)度，認(rèn)為有些公司只是在重復(fù)能源部實驗室?guī)资昵耙驗槟承┰蚓头艞壍呐f想法。但是，他認(rèn)為CFS公司比該領(lǐng)域的大多數(shù)公司有更好的機(jī)會，正是因為它沒有對核聚變采取完全不同的方法。

“他們保留了傳統(tǒng)的托卡馬克方法，但用新型的材料代替了磁鐵?！彼f?！斑@就是我喜歡的計劃;一次只能有一個重大的飛躍?！?/p>

在德文斯47英畝的場地上，在將建造SPARC的那個坑附近，工作人員已經(jīng)搭建起了一個工廠的框架，該工廠將為原型反應(yīng)堆大量生產(chǎn)磁鐵。

CFS希望在未來三年內(nèi)從該機(jī)器中產(chǎn)生凈電力，但該工廠的生產(chǎn)能力是根據(jù)全尺寸設(shè)施而設(shè)計的，而這一設(shè)施，即ARC發(fā)電廠，預(yù)計在21世紀(jì)30年代早期完成。在未來的操作中，產(chǎn)生的熱能將通過與核裂變反應(yīng)堆或煤廠相同的基本過程轉(zhuǎn)化為電力：通過將水變成蒸汽，使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。

11月底，這家初創(chuàng)公司宣布它已經(jīng)籌集了18億美元的風(fēng)險資本，為建造SPARC和開始商業(yè)設(shè)施的工作提供了資金。該公司已開始與潛在客戶就廠址進(jìn)行早期對話，并與監(jiān)管機(jī)構(gòu)就此類工廠的許可和經(jīng)營所需的條件進(jìn)行溝通。

“我們需要假設(shè)這一次的成功，并想出如何繼續(xù)前進(jìn)，”懷特說?！鞍床烤桶嗟牡却遣粫晒Φ?。”

這種不耐煩源于這樣一個事實，即如果核聚變發(fā)電要在應(yīng)對氣候變化中發(fā)揮任何重要作用，就必須盡快做好準(zhǔn)備。

世界需要在未來幾十年內(nèi)消除電力帶來的污染，并在本世紀(jì)中葉左右停止幾乎所有的溫室氣體排放，以有機(jī)會阻止非常危險的全球變暖。實現(xiàn)這些目標(biāo)還意味著需要生產(chǎn)更多的電力，以滿足來自插電式汽車以及家庭、建筑和工廠的不斷增長的需求，這些家庭、建筑和工廠將更加依賴電力來取暖、制冷和用作其他用途。

對一些人來說，這些時間線所呈現(xiàn)的不可更改的事實意味著我們不能寄希望于一項尚未被證明的技術(shù)，更不用說大規(guī)模的商業(yè)化。但洛弗林說，即使核聚變不能在電能生產(chǎn)達(dá)到零碳排放之前進(jìn)入市場，一個廉價、穩(wěn)定、充足的電力來源仍將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

“這個問題不會在2050年停止，”她說，“我們?nèi)匀粫胁粩嘣鲩L的能源消耗;我們?nèi)匀粫薪?jīng)濟(jì)迅速增長的國家。雖然核聚變可能會更久，但仍然需要它?！保ňC合整理報道）（編輯/華生）