這一次，它甚至可能奏效。

2023年1月12日，英國(guó)牛津郡議會(huì)批準(zhǔn)在卡勒姆村附近修建一棟新建筑。申請(qǐng)方通用核聚變公司是一家加拿大公司，在這家公司的計(jì)劃里，這棟新大樓的主要功能是承載其核聚變示范項(xiàng)目，也就是一個(gè)商業(yè)核聚變反應(yīng)堆原型。通用核聚變公司之所以選址在卡勒姆，是因?yàn)槟抢锿瑫r(shí)也是聯(lián)合歐洲環(huán)（JET）的所在地。1983年，多國(guó)政府聯(lián)合在卡勒姆啟動(dòng)了JET這個(gè)實(shí)驗(yàn)性聚變反應(yīng)堆。這意味著當(dāng)?shù)赜写罅渴熘司圩兗夹g(shù)的工作人員可供通用核聚變公司聘用。

選擇在卡勒姆拓展企業(yè)版圖的并不只有通用核聚變公司一家。2月10日，英國(guó)托卡馬克能源公司公布了原型機(jī)ST80的計(jì)劃，選址也在卡勒姆。2024年，還會(huì)有一家叫作“破曉聚變”的英國(guó)公司加入這支隊(duì)伍，這家公司推出的是預(yù)商業(yè)演示原型機(jī)。

與此同時(shí)，在大西洋彼岸的馬薩諸塞州，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司已經(jīng)開(kāi)始在波士頓西部的德文斯鎮(zhèn)建造一臺(tái)名字叫SPARC的原型機(jī)了。在美國(guó)的另一邊，華盛頓州的埃弗雷特，氦核能源公司也同樣在建造原型機(jī)，名叫“北極星”。而在洛杉磯郊區(qū)的山麓牧場(chǎng)，TAE技術(shù)公司也在研究一種叫作“哥白尼”的機(jī)器。

這六家公司，以及聚變產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（這一新興產(chǎn)業(yè)的貿(mào)易組織）認(rèn)證的其他36家公司，都希望能借著綠色能源的東風(fēng)，走向無(wú)碳未來(lái)。這些公司認(rèn)為，雖然其他企業(yè)的相關(guān)嘗試都失敗了，但他們能夠做到將核聚變從實(shí)驗(yàn)室引入電網(wǎng)——而且使用的機(jī)器會(huì)比目前正在法國(guó)南部建造的龐然大物國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）小得多，也便宜得多。ITER是核聚變領(lǐng)域最新的多國(guó)聯(lián)合項(xiàng)目，按照美國(guó)能源部估計(jì)，耗資高達(dá)650億美元。這些公司之所以對(duì)前景如此樂(lè)觀，一是因?yàn)檎莆樟诉^(guò)去沒(méi)有的材料和技術(shù)，二是因?yàn)閾碛辛烁?jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案。

在聚變產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)快速變長(zhǎng)的成員清單上，許多都是剛?cè)刖值男率?。不過(guò)，通用核聚變公司、托卡馬克能源公司、聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司、氦核能源公司和TAE技術(shù)公司都已經(jīng)吸納了至少2.5億美元的投資——實(shí)際上，TAE技術(shù)公司獲得的投資額高達(dá)12億美元，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司更是高達(dá)20億美元。破曉聚變公司獲得的投資大約為1億美元，但它使用了比其他公司更簡(jiǎn)單的方法——用破曉公司總裁巴特 · 馬庫(kù)斯（Bart Markus）的話說(shuō)就是“他們用的螺絲更少”——所以對(duì)現(xiàn)金的需求沒(méi)有那么迫切。

所有這些公司的項(xiàng)目時(shí)間規(guī)劃都大同小異。他們要么正在建造倒數(shù)第二臺(tái)原型機(jī)——他們希望是倒數(shù)第二臺(tái)，但不能保證——要么馬上就要這么做。他們都計(jì)劃在21世紀(jì)20年代中后期使用這些原型機(jī)解決核聚變能源商業(yè)應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題。這些公司也都認(rèn)為，在那之后建造的機(jī)器，即便是實(shí)驗(yàn)性的，也能起到正常發(fā)電廠的作用——大部分的額定功率在200MW到400MW之間——從而能夠向電網(wǎng)供電。在大多數(shù)公司看來(lái)，這一愿景在21世紀(jì)30年代初就能實(shí)現(xiàn)。

核聚變能源的歷史

人類在20世紀(jì)二三十年代發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的產(chǎn)能機(jī)制就是質(zhì)子的聚變過(guò)程——質(zhì)子（氫原子核）聚變成氦原子核（4He，也即α粒子）。從那時(shí)開(kāi)始，我們就一直夢(mèng)想著利用聚變?yōu)楝F(xiàn)代社會(huì)的方方面面提供能量。氫原子聚變反應(yīng)的產(chǎn)物質(zhì)量略小于參與反應(yīng)的物質(zhì)總質(zhì)量——一個(gè)α粒子的質(zhì)量小于四個(gè)質(zhì)子。但缺失的質(zhì)量并沒(méi)有消失，只是被改造了。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，這部分質(zhì)量以熱的形式轉(zhuǎn)化為能量。

從技術(shù)理論角度上看，這個(gè)想法前景光明，但人們很快就發(fā)現(xiàn)，像太陽(yáng)那樣聚變是不可能的。

原子核聚變需要的條件相當(dāng)苛刻，要么極高溫，要么極高壓，甚至兩者都需要。壓力會(huì)縮小原子核之間的空間，促使它們相遇。而熱量能讓它們保持足夠快的運(yùn)動(dòng)速度，保證它們真的相遇時(shí)可以克服彼此之間的靜電斥力（也即庫(kù)侖勢(shì)壘），從而讓一種只在短程范圍內(nèi)起作用的基本力——強(qiáng)力——占據(jù)主導(dǎo)地位。正是強(qiáng)力讓質(zhì)子和中子結(jié)合在一起形成原子核，因此，一旦突破庫(kù)侖勢(shì)壘，就會(huì)迅速形成更大的原子核。

雖然太陽(yáng)核聚變的溫度很高（1 550萬(wàn)攝氏度），但完全在工程師的能力范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆可以產(chǎn)生100億攝氏度的高溫，并且有望達(dá)到更高的溫度。然而，太陽(yáng)核聚變的巨大壓力（2 500億個(gè)大氣壓）卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此外，太陽(yáng)核聚變的原材料也很難駕馭。按照現(xiàn)在的估計(jì)，生產(chǎn)氦原子核的第一步——讓兩個(gè)獨(dú)立質(zhì)子結(jié)合在一起，形成氫的重同位素氘（一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子）——平均需要90億年。

因此，工程師只能盡可能模擬太陽(yáng)核聚變。常規(guī)方法就是從氘開(kāi)始，讓它與一種更重且具有放射性的氫——氚（一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子）——聚變，產(chǎn)生4He和一個(gè)中子。（直接聚變氘核理論上也可行，實(shí)驗(yàn)中也有嘗試，但效率只有常規(guī)方法的千分之一。）通用核聚變公司、托卡馬克能源公司、聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司、破曉聚變公司，以及JET和ITER等政府項(xiàng)目使用的都是這種常規(guī)方法。

點(diǎn)火序列啟動(dòng)

聚變釋放的能量以反應(yīng)產(chǎn)物的動(dòng)能形式呈現(xiàn)，其中80%最后都會(huì)儲(chǔ)存到中子內(nèi)。目前的方案是用一張吸收毯攔截中子，以熱量的形式捕獲核聚變產(chǎn)生的能量，然后用這些熱量來(lái)制造蒸汽并發(fā)電。按照這個(gè)方案，反應(yīng)堆還能生產(chǎn)他們需要的氚（自然過(guò)程產(chǎn)生的氚極少），具體方法是在吸收毯中加入一些6Li（鋰的一種同位素，能與中子反應(yīng)生成氚和α粒子）。氘的來(lái)源完全不是問(wèn)題，因?yàn)槊? 200個(gè)水分子中就有一個(gè)含有氘。

不過(guò)，并非所有公司都在走氘-氚聚變的路線。氦核能源公司和 TAE技術(shù)公司就提出了無(wú)中子聚變的方案。

氦核能源公司的方案是從3He（由兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子構(gòu)成，是氦的一種較輕的同位素，也是太陽(yáng)核聚變過(guò)程的中間產(chǎn)物）開(kāi)始。不過(guò)，與太陽(yáng)核聚變過(guò)程（兩個(gè)3He聚變產(chǎn)生一個(gè)4He和兩個(gè)質(zhì)子）不同，但它不是像在太陽(yáng)中那樣將兩個(gè)氦原子聚變（產(chǎn)生4氦原子和兩個(gè)質(zhì)子），氦核能源公司讓一個(gè)3He和一個(gè)氘原子核聚變，產(chǎn)生一個(gè)4He和一個(gè)質(zhì)子。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)環(huán)境條件就能提升副反應(yīng)（兩個(gè)氘原子產(chǎn)生一個(gè)3He）發(fā)生率以補(bǔ)充作為原料的3He 。

TAE技術(shù)公司的方案就更吸引人了。他們用的是硼（由5個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子構(gòu)成）和普通的氫，這兩種原料都很容易獲取。硼和氫聚變后的產(chǎn)物會(huì)分解成三個(gè)α粒子。實(shí)際上，TAE就是3個(gè)阿爾法粒子能量（Tri-Alpha Energy）的縮寫(xiě)。問(wèn)題在于，要想取得令人滿意的效果，硼-氫（質(zhì)子）聚變反應(yīng)堆需要達(dá)到的溫度不是1億攝氏度，而是10億攝氏度。

即使是常規(guī)的氘-氚聚變方案，促進(jìn)核聚集的方法也有許多種。核聚集這個(gè)操作的目的是創(chuàng)造符合勞森標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)條件。約翰·勞森（John Lawson）在20世紀(jì)50年代首創(chuàng)了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以便用他的姓氏命名。勞森意識(shí)到，要實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，就必須同時(shí)兼顧溫度、密度和核反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間。這三種因素結(jié)合就產(chǎn)生了一個(gè)叫作三重積的值，如果這個(gè)值足夠高，就能做到“點(diǎn)火”——核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量能實(shí)現(xiàn)自給自足。

最常見(jiàn)的核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)就是托卡馬克裝置，主要考慮溫度因素。1958年，俄羅斯發(fā)明了這種裝置，因?yàn)樗芨玫乜刂朴米魅剂系碾?氚等離子體，所以問(wèn)世后就迅速取代了之前的Z沖壓和仿星器法。（等離子體是一種類似氣體的流體，處于等離子態(tài)的原子，核與電子分離。）托卡馬克裝置的反應(yīng)室是一個(gè)包含等離子體的真空環(huán)面。環(huán)面周?chē)€包裹著一組環(huán)形電磁線圈，環(huán)面上下面是成對(duì)極向線圈，中間則是一根螺線管（圖2A）。

托卡馬克裝置的多塊磁體組合在一起，可以控制帶電等離子體粒子的行為——把這些粒子囊括進(jìn)來(lái)并加熱到原子核聚變的程度。然而，等離子體必須遠(yuǎn)離反應(yīng)容器的壁面。一旦等離子體與容器接觸就會(huì)立即冷卻，聚變也會(huì)隨即停止。仿星器雖然也是環(huán)形的，但磁體排列方式更復(fù)雜，也更難控制。Z沖壓法則通過(guò)讓電流通過(guò)等離子體來(lái)產(chǎn)生自我約束的磁場(chǎng)。

傳統(tǒng)托卡馬克裝置的環(huán)面像一個(gè)甜甜圈，但托卡馬克能源公司的設(shè)計(jì)（圖2A展示的就是當(dāng)前版本的內(nèi)部——充滿等離子體）看起來(lái)就像一個(gè)沒(méi)有核的蘋(píng)果。20世紀(jì)80年代的計(jì)算結(jié)果表明，這種構(gòu)型比甜甜圈更有效率。計(jì)算出這個(gè)結(jié)果的是當(dāng)時(shí)在歐洲聯(lián)合環(huán)面工作的艾倫·賽克斯（Alan Sykes），他也是托卡馬克能源公司的創(chuàng)始人之一。

賽克斯博士的線圈繞組使用的是高溫超導(dǎo)帶材，因而極大提高了這種球狀構(gòu)型的效率和緊湊性。（這里的“高溫”意味著這種材料的工作溫度低于氮的沸點(diǎn)-196攝氏度，而不是液氦的-269攝氏度）。高溫超導(dǎo)帶材不會(huì)對(duì)通過(guò)的電流產(chǎn)生任何阻力，因而耗電量很小。這種高溫超導(dǎo)帶材現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域，可以從幾家供應(yīng)商那里買(mǎi)到。

聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司也在磁體中使用了高溫超導(dǎo)體。因此，雖然這家公司的托卡馬克裝置仍是傳統(tǒng)的甜甜圈構(gòu)型，而不是沒(méi)有核的蘋(píng)果，但也相當(dāng)緊湊。

這兩家公司對(duì)托卡馬克裝置的另一項(xiàng)改良——等離子體控制——重要性不亞于磁體材料方面的改進(jìn)。舉個(gè)例子，運(yùn)行托卡馬克能源公司系統(tǒng)的控制室復(fù)雜程度足以讓詹姆斯 · 邦德電影相形見(jiàn)絀，使用的軟件能夠以極快的速度跟蹤記錄等離子體的行為——快到每100微秒就能微調(diào)一下設(shè)定條件，使等離子體遠(yuǎn)離反應(yīng)容器壁。這個(gè)系統(tǒng)的商業(yè)版本一旦問(wèn)世，就能持續(xù)運(yùn)行。

基于壓力的方案

另一邊，通用聚變公司計(jì)劃使用一種叫作磁化目標(biāo)聚變的方法，以期從壓力和溫度兩方面入手匹配勞森標(biāo)準(zhǔn)。公司老板米歇爾 · 拉伯奇（Michel Laberge）解釋說(shuō)，他們使用的燃料仍然是等離子體，但反應(yīng)容器的內(nèi)襯是裝著液態(tài)金屬的轉(zhuǎn)動(dòng)圓筒——原型機(jī)中使用的液態(tài)金屬是鋰，按計(jì)劃，后續(xù)商業(yè)版本中的應(yīng)該是鋰和鉛的混合物。

燃料注入到圓筒內(nèi)部空腔后，氣動(dòng)活塞立刻就會(huì)將金屬向內(nèi)推（圖2B），空腔隨即塌陷成一個(gè)小球體。這樣就能壓縮并加熱等離子體，直到它們開(kāi)始聚變。如果這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)火，那么液態(tài)鋰就會(huì)吸收產(chǎn)生的熱量——之后，我們可以從液態(tài)鋰中提取出這些熱量以產(chǎn)生蒸汽。同時(shí)，一些中子會(huì)將襯里中的6Li轉(zhuǎn)化為氚。

通用聚變公司也依靠復(fù)雜軟件控制活塞，從而把等離子體塑造成合適的形狀。不過(guò)，拉伯奇博士認(rèn)為，不使用電磁體既能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，又能消除潛在的故障點(diǎn)。

與此同時(shí)，TAE技術(shù)公司和氦核能源公司都使用了所謂的場(chǎng)反轉(zhuǎn)配置（圖2C）約束等離子體。它們的反應(yīng)室類似空心的杠鈴，只不過(guò)中間還有第三塊“配重”。反應(yīng)室兩端產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的等離子體環(huán)面，然后通過(guò)磁場(chǎng)射向?qū)γ?。它們的碰撞觸發(fā)聚變。同樣，如果沒(méi)有復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這個(gè)方案就不成立。

TAE技術(shù)公司和氦核能源公司都計(jì)劃直接產(chǎn)生電力，而不是通過(guò)蒸汽的方式帶動(dòng)發(fā)電機(jī)。氦核能源公司希望從合并后的等離子體環(huán)面磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)之間的相互作用中獲取電能。TAE技術(shù)公司的具體做法目前還未公開(kāi)，他們表示正在仔細(xì)考察幾種不同方案。

聚變產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)36家成員中暫時(shí)處于“尾部”的幾家公司正在以其他方式推動(dòng)技術(shù)極限。其中一部分正在探索進(jìn)一步的燃料循環(huán)——例如，利用氘核反應(yīng)發(fā)電，而不僅僅是將這種反應(yīng)用于測(cè)試儀器，或者推動(dòng)鋰與質(zhì)子聚變。還有一些公司則堅(jiān)持氘-氚路線，但正在研究不同類型的反應(yīng)堆。

例如，西雅圖的贊普能源公司正在使用增強(qiáng)型等離子體控制技術(shù)復(fù)興Z沖壓法。還有幾家公司，包括美國(guó)的普林斯頓仿星器公司和第一類能源集團(tuán)公司以及法國(guó)的文藝復(fù)興聚變公司，都試圖重拾仿星器方案——他們相信現(xiàn)代計(jì)算可以解決這個(gè)方案的頑疾。

不過(guò)，托卡馬克裝置、場(chǎng)反轉(zhuǎn)配置和通用聚變公司的液壓方案最直接的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都是一種叫作“慣性聚變”的設(shè)計(jì)。在慣性聚變方案中，燃料最初位于一個(gè)小小的膠囊內(nèi)，通過(guò)承受外部沖擊來(lái)克服庫(kù)侖勢(shì)壘。

目前，慣性聚變方案的領(lǐng)頭羊是破曉聚變公司。工程師以電磁方式加速并發(fā)射“炮彈”，沖擊反應(yīng)艙（圖2D）。炮彈的目標(biāo)是一個(gè)立方體放大器內(nèi)的燃料膠囊。放大器可以增強(qiáng)撞擊產(chǎn)生的沖擊波（按照預(yù)期，圖2D中的裝置產(chǎn)生的沖擊波速度應(yīng)該能達(dá)到每秒80千米），并將其折射，使其從各個(gè)方向同時(shí)匯聚在膠囊上。最后，燃料內(nèi)爆，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火級(jí)別的三倍積。

不過(guò)，破曉聚變公司使用的并非常規(guī)方法。大多數(shù)慣性聚變方案的支持者都計(jì)劃用激光傳遞沖擊波，其中包括得克薩斯奧斯汀的聚焦能源公司、慕尼黑的驚奇聚變公司以及加利福尼亞雷德伍德城的?？怂刮髅窢柲茉垂尽Ｋ麄冏裱氖菄?guó)家點(diǎn)火設(shè)施（美國(guó)政府研究原子武器物理學(xué)的項(xiàng)目NIF）開(kāi)辟的道路。

環(huán)保需求給聚變能源研發(fā)提供了大量資金

2022年12月，NIF宣布了一個(gè)引發(fā)轟動(dòng)的消息——實(shí)現(xiàn)了“點(diǎn)火”。不過(guò)，凈產(chǎn)出能量還不到總投入能量的1%，這意味著距商業(yè)核聚變的另一個(gè)必要條件Qgt;1還差得很遠(yuǎn)。Q是設(shè)備凈產(chǎn)出能量與總投入能量之比。不同版本的Q對(duì)“凈產(chǎn)出”和“總投入”定義不同。但與商業(yè)核聚變最相關(guān)的定義是“插頭對(duì)插頭”——為運(yùn)行核聚變裝置從電網(wǎng)中抽取的電力與核聚變裝置向電網(wǎng)輸送的能量比值。聚焦能源公司、驚奇聚變公司和?？怂刮髅窢柲茉垂径枷Ｍ軡M足Qgt;1的定義。

這一切聽(tīng)起來(lái)都前景光明、激動(dòng)人心。然而部分批評(píng)家擔(dān)心的正是這種表面繁榮。

首先，核聚變技術(shù)商業(yè)化依然存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。馬庫(kù)斯博士對(duì)螺絲數(shù)量的關(guān)注顯然是精明之舉。尤其值得一提的是，他的公司（另外還有通用聚變公司）解決了對(duì)復(fù)雜磁等離子體控制系統(tǒng)的需求——因?yàn)檫@兩家公司在設(shè)計(jì)上就規(guī)避了這個(gè)系統(tǒng)。

其次就是資金因素。聚變和其他技術(shù)領(lǐng)域一樣，受益于最近一段時(shí)間的低息貸款。等到這段低息時(shí)期過(guò)去，位于核聚變領(lǐng)域尾部的公司可能會(huì)舉步維艱。不過(guò)，處于領(lǐng)先地位的企業(yè)在形勢(shì)良好的時(shí)期囤積了大量資金，這應(yīng)該有助于他們堅(jiān)持下去，直到投資者能夠根據(jù)業(yè)績(jī)而不是愿景來(lái)評(píng)判他們的成果。

再次，21世紀(jì)30年代初實(shí)現(xiàn)聚變能源商用的愿景也顯然不是必然能實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，在這個(gè)領(lǐng)域，既定截止日期延后并不是什么新鮮現(xiàn)象。英國(guó)政府計(jì)劃建造一個(gè)名為STEP的球形托卡馬克裝置，這個(gè)項(xiàng)目設(shè)定的截止日期更加謹(jǐn)慎：2040年。

另外，即使我們真的開(kāi)發(fā)出了商用核聚變機(jī)器，它也必須找準(zhǔn)自己的定位。上述公司目前的口徑是，為太陽(yáng)能和風(fēng)能等間歇性能源提供“基準(zhǔn)”電力——這么做還可以避免公眾對(duì)另一種顯而易見(jiàn)的替代能源（核裂變）的普遍恐懼。這個(gè)目標(biāo)或許可行，但成本也必須做到比競(jìng)爭(zhēng)能源方案（如電網(wǎng)規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)）更低廉才行。

不過(guò)，核聚變的支持者至少有一個(gè)充滿希望的絕佳理由：他們現(xiàn)在有各種看似可行的方法。只要其中有一種方法能使核聚變產(chǎn)能從幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，就可以徹底改變?nèi)祟惿鐣?huì)現(xiàn)在的能源格局。

資料來(lái)源 The Economist