王曉濤/編譯

自原子時(shí)代開啟以來，科學(xué)家就一直在追逐核聚變之夢(mèng)。核聚變正是太陽的能量來源。

世界各國(guó)對(duì)無碳能源的興趣和投資也與日俱增。

在近一個(gè)世紀(jì)里，天文學(xué)家和物理學(xué)家已經(jīng)知曉了一種叫作熱核聚變的過程，正是這類過程讓太陽以及其他恒星連續(xù)數(shù)百萬年乃至數(shù)十億年發(fā)光。從發(fā)現(xiàn)熱核聚變過程那一刻起，科學(xué)家就一直夢(mèng)想著把這種能源帶到地球上，利用它為現(xiàn)代世界提供動(dòng)力。

在氣候變化日益加劇的時(shí)代，這個(gè)夢(mèng)想變得愈發(fā)引人注目。掌握利用熱核聚變的能力，并將其注入全球電網(wǎng)，就能讓我們所有排放二氧化碳的燃煤和燃?xì)怆姀S成為遙遠(yuǎn)的記憶。核聚變發(fā)電廠可以提供晝夜流動(dòng)的零碳電力，不必?fù)?dān)心風(fēng)及其他任何天氣問題；同時(shí)也沒有如今核裂變發(fā)電廠的缺點(diǎn)，比如潛在的災(zāi)難性熔斷以及必須隔離存放數(shù)千年的核廢料。

實(shí)際上，聚變恰恰與裂變相反：裂變是將鈾之類的重元素分裂成較輕的元素，而聚變過程則通過將較輕元素（比如氫）的各種同位素合并成較重元素同時(shí)產(chǎn)生能量。

要想實(shí)現(xiàn)核聚變之夢(mèng)，聚變科學(xué)家必須先在地面上啟動(dòng)核聚變——要知道，太陽能啟動(dòng)聚變過程，是因?yàn)樗暮诵囊ψ饔脴O其強(qiáng)大。要想在地球上實(shí)現(xiàn)核聚變意味著要將那些輕同位素放入反應(yīng)堆中，并且設(shè)法把它們加熱到幾億攝氏度——這個(gè)溫度可以將原子轉(zhuǎn)變成一種電離化的“等離子體”，類似閃電的內(nèi)部環(huán)境，只是溫度更高、更難控制。同時(shí)，這也意味著我們要找到方法控制那種“閃電”，通常是借助某種磁場(chǎng)在等離子體像生物那樣扭動(dòng)、扭曲并試圖逃脫時(shí)緊緊抓住它們。

即便是用最樂觀的語言，這兩項(xiàng)挑戰(zhàn)也都令人望而生畏。實(shí)際上，直到2022年年末，在加利福尼亞開展的一項(xiàng)耗資數(shù)十億美元的核聚變實(shí)驗(yàn)才終于實(shí)現(xiàn)讓一小點(diǎn)同位素樣本產(chǎn)生多于為啟動(dòng)核聚變反應(yīng)輸入的能量的熱核能。而這個(gè)僅僅持續(xù)大約1/10納秒的事件，必須由全世界性能最強(qiáng)大的192個(gè)激光器聯(lián)合觸發(fā)。

不過，如今的核聚變領(lǐng)域同時(shí)還存在大量現(xiàn)實(shí)得多的計(jì)劃。諸如高溫超導(dǎo)等新技術(shù)有望讓核反應(yīng)器變得比以前能想象的更小、更簡(jiǎn)單、更便宜、更高效。更好的是，經(jīng)過這幾十年緩慢但頑強(qiáng)的發(fā)展，核聚變技術(shù)似乎已經(jīng)跨過了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，技術(shù)研發(fā)人員現(xiàn)在已經(jīng)擁有了足夠的經(jīng)驗(yàn)，可以設(shè)計(jì)出與理論預(yù)測(cè)基本一致的等離子體實(shí)驗(yàn)。

位于南加利福尼亞州的泰爾技術(shù)核聚變公司首席執(zhí)行官米歇爾 · 賓德鮑爾（Michl Binderbauer）說：“我們掌握的核聚變技術(shù)正逐漸趕上實(shí)現(xiàn)可控核聚變這一巨大挑戰(zhàn)的要求。”

泰爾技術(shù)成立于1998年，是全球第一家商業(yè)核聚變企業(yè)。自泰爾技術(shù)之后，陸續(xù)又有40多家商業(yè)核聚變企業(yè)成立——大部分成立于最近5年里，其中許多都采用了動(dòng)力反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)，并有望在大約十年之后投入使用。

2018年，安德魯 · 霍蘭德（Andrew Holland）在美國(guó)華盛頓特區(qū)創(chuàng)辦了一個(gè)倡導(dǎo)核聚變技術(shù)的組織“聚變產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)”，并擔(dān)任該組織首席執(zhí)行官至今。他表示：“我一直在想，我們現(xiàn)在的技術(shù)能力正處于巔峰。不過，我們現(xiàn)在仍在見證越來越多擁有新想法的公司涌現(xiàn)，所以人類的技術(shù)能力未來必然會(huì)更加強(qiáng)大。”

這一切都被私人投資公司看在眼里，實(shí)際上，核聚變技術(shù)初創(chuàng)公司總計(jì)已經(jīng)吸引了大約60億美元的投資，并且這個(gè)數(shù)字還在不斷上升。位于新澤西的美國(guó)能源部普林斯頓等離子體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究負(fù)責(zé)人喬納森 · 梅納德（Jonathan Menard）說，新技術(shù)和私人資本的結(jié)合產(chǎn)生了令人欣喜的協(xié)同作用。梅納德本人沒有在任何核聚變技術(shù)公司任職，他的說法應(yīng)該是相當(dāng)客觀的。

他說：“與公共部門相比，私人公司通常擁有更多資源去嘗試新鮮事物。有些嘗試會(huì)奏效，有些不會(huì)，還有些則處于兩種狀態(tài)之間。不過，我們最后總能發(fā)現(xiàn)合適的發(fā)展方向，那就很棒了?！?/p>

當(dāng)然，我們也有充分的理由保持謹(jǐn)慎——到目前為止，這些私人核聚變技術(shù)公司都沒有證明他們掌握了產(chǎn)生凈核聚變能的能力，甚至連短暫做到都沒有證明，更不用說在十年內(nèi)產(chǎn)生適用商業(yè)規(guī)模的機(jī)器了。梅納德說：“許多私人核聚變技術(shù)都在說大話，承諾了一些我們通常認(rèn)為不太可能在那么短時(shí)間尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)的事情?！?/p>

不過，他緊接著又補(bǔ)充道：“要是事實(shí)證明我們錯(cuò)了，那我們會(huì)非常高興?！?/p>

既然現(xiàn)在有40多家公司正朝著實(shí)現(xiàn)核聚變的方向努力，只要其中有一家成功，我們都會(huì)很快知曉。與此同時(shí)，為了讓大家知道核聚變并不是癡人說夢(mèng)，這里概述每種核聚變反應(yīng)堆必須克服的挑戰(zhàn)，同時(shí)看看部分擁有充足資金和優(yōu)秀設(shè)計(jì)的私人公司是怎么在技術(shù)上應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的。

核聚變的先決條件

所有核聚變裝置要解決的第一大挑戰(zhàn)就是“點(diǎn)火”，也就是說，核聚變裝置必須把各種同位素的混合物（不論具體比例多少）當(dāng)作燃料，讓原子核互相接觸、聚變，然后釋放出大量能量。

這里的“接觸”就是字面上的意思：核聚變就是一項(xiàng)以接觸為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)，直到兩個(gè)原子核正面迎頭相撞，聚變反應(yīng)才會(huì)啟動(dòng)。那么，要怎么才能讓原子盡可能多地互相接觸？棘手之處在于，每個(gè)原子的原子核都含有帶正電的質(zhì)子，而物理學(xué)的一條基本規(guī)則告訴我們，同種電荷會(huì)互相排斥。因此，克服這種排斥力的方法只有一個(gè)，那就是讓原子核快速運(yùn)動(dòng)，快到它們?cè)诨ハ嗯懦庵熬桶l(fā)生碰撞以及進(jìn)一步的聚變。

這種速度要求意味著等離子體的溫度至少要達(dá)到1億攝氏度。而且，這個(gè)溫度僅僅是對(duì)氫的兩種較重的同位素氘和氚的混合燃料而言的。其他元素同位素的混合燃料需要的溫度更高——這就是為什么氘和氚目前仍然是大多數(shù)反應(yīng)堆選擇使用的燃料。

然而，無論使用何種燃料，是否能達(dá)到啟動(dòng)核聚變反應(yīng)的溫度，通?？偸菤w結(jié)為研究人員與等離子體離子之間的競(jìng)賽：研究人員總是在努力利用微波或高能中子束等外部能量來源泵入能量，而等離子體離子則總是試圖在剛接收能量后就把這些能量輻射出去。

最終目標(biāo)是讓等離子體的溫度超過“點(diǎn)火”溫度——核聚變反應(yīng)將產(chǎn)生足夠的內(nèi)部能量以彌補(bǔ)自身輻射出去的能量，并為一兩個(gè)城市提供電力。

然而，這也引出了兩大挑戰(zhàn)。一個(gè)挑戰(zhàn)是，一旦點(diǎn)火成功，所有投入實(shí)際使用的反應(yīng)堆都必須保證燃料持續(xù)燃燒——也就是說，要把這些過熱的原子核限制在足夠小的區(qū)域內(nèi)，保證它們?cè)谧銐蜷L(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍能保持理想膨脹率，從而產(chǎn)生有用的能量流。

在大多數(shù)反應(yīng)堆中，這意味著要把等離子體保護(hù)在一個(gè)密閉的艙室內(nèi)，因?yàn)槿绻锌諝庀蛲饬鲃?dòng)，等離子體的溫度就會(huì)下降，聚變反應(yīng)就會(huì)停止。然而，這同時(shí)也意味著要保證等離子體遠(yuǎn)離艙壁，因?yàn)榕摫诘臏囟缺鹊入x子體低得多，后者一接觸前者溫度就會(huì)驟降，聚變反應(yīng)隨即停止。難點(diǎn)在于，如果用非物理屏障（比如強(qiáng)磁場(chǎng)）讓等離子體遠(yuǎn)離艙壁，離子的流動(dòng)很快就會(huì)被等離子體內(nèi)部的電流和磁場(chǎng)扭曲，同樣無法驅(qū)動(dòng)聚變反應(yīng)。

除非你非常謹(jǐn)慎且聰明地約束整個(gè)磁場(chǎng)——這就是為什么約束方案的不同就足以解釋各種核聚變反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)上的顯著差異。

此外，投入實(shí)際使用的核聚變反應(yīng)堆必須囊括某種提取核聚變能源并將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定電流的方法。雖然針對(duì)這最后一項(xiàng)挑戰(zhàn)，我們從來都不缺乏創(chuàng)意，但具體的細(xì)節(jié)很大程度上取決于核反應(yīng)堆使用了何種燃料。

舉個(gè)例子，對(duì)氘+氚燃料來說，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的大部分能量都是以一種叫作中子的高速運(yùn)動(dòng)粒子的形式出現(xiàn)的，而中子不帶電荷，因而不可能被磁場(chǎng)約束。也正是因?yàn)椴粠щ姾?，中子不僅能穿過磁場(chǎng)，還能穿過核反應(yīng)堆壁。因此，必須用一件“毯子”把等離子體艙室包裹起來。所謂“毯子”，一般就是一層厚厚的鉛或鋼等較重的物質(zhì)，他們會(huì)吸收中子并把它們的能量轉(zhuǎn)化為熱量。接著，我們可以用這些熱量煮開水，并通過傳統(tǒng)發(fā)電廠使用的那種蒸汽發(fā)電機(jī)發(fā)電。

許多氘氚核反應(yīng)堆在設(shè)計(jì)時(shí)還要求在包層材料中加入一些鋰。這一步很關(guān)鍵。因?yàn)槊恳淮坞昂司圩兎磻?yīng)都會(huì)消耗一個(gè)氚原子核，也因?yàn)殡斑@種氫的同位素具有放射性而且在自然界中并不存在，如果不采取措施回收利用，核反應(yīng)堆很快就會(huì)耗盡燃料。

氘氚燃料的使用確實(shí)相當(dāng)復(fù)雜，于是，一些大膽的核聚變初創(chuàng)公司開始尋找替代方案。賓德鮑爾的泰爾技術(shù)就把目光放在了許多人認(rèn)為的終極核聚變?nèi)剂腺|(zhì)子與硼-11的混合物上。質(zhì)子和硼-11都比較穩(wěn)定，沒有毒性且儲(chǔ)量大、容易獲取。它們發(fā)生核聚變反應(yīng)后只有一種產(chǎn)物，也就是三個(gè)帶正電的氦-4原子核——用磁場(chǎng)就能輕松捕獲它們及它們攜帶的能量，無須使用包層。

然而，替代方案也有各自需要解決的挑戰(zhàn)。就拿質(zhì)子與硼-11燃料來說，啟動(dòng)核聚變反應(yīng)的溫度高達(dá)10億攝氏度，比氘氚燃料高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

等離子甜甜圈

早在科學(xué)家研究核聚變反應(yīng)之初，他們就已經(jīng)清楚要面對(duì)三大基本挑戰(zhàn)了——給等離子體點(diǎn)火，維持核聚變反應(yīng)，以及收獲能量。到了20世紀(jì)50年代，核聚變反應(yīng)領(lǐng)域的革新者開始提出各種解決上述問題的方案——直到1968年蘇聯(lián)物理學(xué)家公布了他們稱為“托卡馬克”的設(shè)計(jì)方案后，其他選項(xiàng)都靠邊站了。

和早期的幾種核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)概念一樣，托卡馬克的主要特征也是一個(gè)有點(diǎn)像中空甜甜圈（這種形狀能讓粒子在不碰撞任何東西的前提下無休止流動(dòng)）的等離子體艙室，然后通過環(huán)繞在甜甜圈外部的載流線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)控制等離子體離子。

不過，托卡馬克裝置也有自己的創(chuàng)新之處，那就是利用一組額外的線圈，讓電流通過等離子體在甜甜圈內(nèi)一圈又一圈流動(dòng)，就像環(huán)形閃電一樣。這股電流輕微地扭曲了磁場(chǎng)，對(duì)穩(wěn)定等離子體起到了驚人的作用。雖然第一臺(tái)投入實(shí)驗(yàn)的托卡馬克機(jī)器仍然無法達(dá)到啟動(dòng)并維持核聚變反應(yīng)所需的溫度和約束時(shí)間——而且差得很遠(yuǎn)——但實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)大大超越了之前所有嘗試，因此，所有核聚變研究小組幾乎都轉(zhuǎn)向了這種設(shè)計(jì)。

自那之后，全球總共建造了200多臺(tái)設(shè)計(jì)各有不同的托卡馬克裝置，而物理學(xué)家對(duì)托卡馬克裝置內(nèi)的等離子體也越發(fā)熟悉，足以自信地預(yù)言這些機(jī)器未來的表現(xiàn)。這種信心正是某個(gè)國(guó)際資助機(jī)構(gòu)聯(lián)盟愿意前前后后投入20多億美元打造國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER，在拉丁語中意為“路徑”）的原因。ITER本質(zhì)上也是一個(gè)托卡馬克裝置，但大小相當(dāng)于10層樓。2010年，ITER在法國(guó)南部動(dòng)工，預(yù)計(jì)在2035年用氘氚燃料開始核聚變實(shí)驗(yàn)。物理學(xué)家相當(dāng)確信，屆時(shí)，ITER能夠在一次實(shí)驗(yàn)內(nèi)維持燃燒的核聚變等離子體達(dá)數(shù)分鐘之久，這就為他們的后續(xù)研究提供了一個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)寶庫(kù)，未來也有望在投入實(shí)際使用的核電反應(yīng)堆中發(fā)揮作用。

不過，ITER的另一大設(shè)計(jì)目標(biāo)就是為了更進(jìn)一步的科學(xué)研究，所以，它配備的儀器和功能要比一般的核電反應(yīng)堆更多——這就是為什么現(xiàn)在有兩家獲得最多資金的核聚變技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)正爭(zhēng)相開發(fā)體積更小、功能更簡(jiǎn)單、成本更低廉的托卡馬克核聚變反應(yīng)堆。

第一家是2009年建立的托卡馬克能源公司。這些年里，這家英國(guó)公司總共獲得了大約2.5億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，他們的目標(biāo)是開發(fā)以“球形托卡馬克裝置”為基礎(chǔ)的反應(yīng)堆。這種設(shè)備特別緊湊，看上去更像是一個(gè)帶核的蘋果，而非甜甜圈。

另一家則是位于美國(guó)馬薩諸塞州的聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司。它其實(shí)是麻省理工學(xué)院的一個(gè)分支機(jī)構(gòu)，遲至2018年才成立，但發(fā)展勢(shì)頭迅猛。雖然聯(lián)邦聚變系統(tǒng)的托卡馬克裝置在設(shè)計(jì)上使用的是更加傳統(tǒng)的甜甜圈構(gòu)型，但因?yàn)橛新槭±砉W(xué)院龐大的資金支持網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)獲取了接近20億美元的投資。

另外，這兩家公司也都是全球最早使用高溫超導(dǎo)體電纜產(chǎn)生磁場(chǎng)的。早在20世紀(jì)80年代，人類就發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)體，但最近才用它制造電纜。高溫超導(dǎo)材料可以在相對(duì)較高的77 K（-196℃，可以用液氮或氦氣實(shí)現(xiàn)）溫度下幾乎無電阻地傳輸電流。而ITER使用的電纜由傳統(tǒng)超導(dǎo)體制成，需要浸泡在4 K溫度的液氦中。因此，用高溫超導(dǎo)體制造的電纜冷卻起來更加方便、成本更低。

不過，用高溫超導(dǎo)體制成的電纜優(yōu)勢(shì)還不止于此。相比低溫超導(dǎo)體制成的電纜，它們能在小得多的空間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)得多的磁場(chǎng)——這意味著，托卡馬克能源和聯(lián)邦聚變系統(tǒng)可以讓它們的核電反應(yīng)堆規(guī)模縮小到ITER的幾十分之一。

然而，雖然托卡馬克裝置是目前絕大多數(shù)核聚變技術(shù)公司的選擇，但如今大多數(shù)核聚變初創(chuàng)公司不再使用這種設(shè)計(jì)方案。他們選擇重回托卡馬克裝置之前的古老設(shè)計(jì)方案，因?yàn)楹笳唧w積更小、原理更簡(jiǎn)單、成本也更低，只要想辦法使其生效即可。

等離子體渦流

這類復(fù)古設(shè)計(jì)方案中的典型代表就是以煙圈狀等離子體渦流（稱為“場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”）為基礎(chǔ)的聚變反應(yīng)堆。場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)渦流看上去就像一根粗粗的空心雪茄，像陀螺儀一樣繞著自己的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)渦流通過自身內(nèi)部的電流和磁場(chǎng)束縛自己——這意味著，場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)核聚變反應(yīng)堆不需要讓內(nèi)部的離子在甜甜圈形狀的等離子體艙室里無休止地流動(dòng)。至少，從原理上說，渦流會(huì)很“樂意”始終停留在筆直的圓柱形艙室內(nèi)，只需要一個(gè)輕微接觸的外部磁場(chǎng)就能讓它保持穩(wěn)定。這意味著，以場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)渦流為基礎(chǔ)的核聚變反應(yīng)堆，可以舍棄大部分昂貴且極為耗電的外部磁場(chǎng)線圈，從而比托卡馬克裝置以及其他任何核聚變?cè)O(shè)備體積更小、操作更簡(jiǎn)單、造價(jià)更便宜。

遺憾的是，實(shí)踐過程反饋的結(jié)果卻遠(yuǎn)沒有那么理想。早在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家就開始了場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)核聚變裝置的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，裝置內(nèi)的等離子體似乎總是在幾百微秒內(nèi)就失去控制。這就是為什么當(dāng)托卡馬克裝置出現(xiàn)后場(chǎng)反轉(zhuǎn)裝置就受到了冷落。

不過，場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)反應(yīng)堆的簡(jiǎn)潔本質(zhì)永遠(yuǎn)不會(huì)失去魅力。更何況，這種裝置還有可能在不崩潰的前提下把等離子體加熱到極高的溫度——這也是為什么泰爾技術(shù)在1998年時(shí)選擇了場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，這家公司剛開始嘗試核聚變技術(shù)的時(shí)候，想的就是借助10億攝氏度的質(zhì)子和硼-11燃料。

賓德鮑爾和泰爾技術(shù)的另一位聯(lián)合創(chuàng)始人、已故物理學(xué)家諾曼 · 羅斯托克（Norman Rostoker）當(dāng)時(shí)就想到了一個(gè)無限期穩(wěn)定并維持場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)渦流的方法：只要沿著渦流外沿發(fā)射新鮮燃料束，就能維持等離子體的高溫和高轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

這個(gè)方法確實(shí)有效。2010年代中葉，泰爾技術(shù)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)就證明了，從側(cè)面進(jìn)入反應(yīng)裝置的那些粒子束真的能讓場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)保持轉(zhuǎn)動(dòng)和穩(wěn)定，只要燃料束注入器仍有動(dòng)力就行了——只靠實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存的能源，僅能維持注入器運(yùn)轉(zhuǎn)不到10毫秒，但只要他們想，就可以從以質(zhì)子和硼-11為燃料的核反應(yīng)堆中收取一點(diǎn)多余的能量。另外，在2022年的時(shí)候，他們還證明了他們開發(fā)的場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)核聚變反應(yīng)裝置可以在遠(yuǎn)超7000萬攝氏度的高溫下保持那種穩(wěn)定性。

泰爾技術(shù)計(jì)劃在2025年建成下一臺(tái)場(chǎng)反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)核聚變反應(yīng)裝置，也就是長(zhǎng)達(dá)30米的“哥白尼”。屆時(shí)，他們希望能實(shí)現(xiàn)1億攝氏度以上的穩(wěn)定燃燒環(huán)境（只是燃料會(huì)轉(zhuǎn)而使用純氫）。如果一切順利，那“哥白尼”無疑會(huì)成為一臺(tái)具有里程碑式意義的機(jī)器，泰爾技術(shù)也會(huì)掌握設(shè)計(jì)“達(dá) · 芬奇”所需的必要數(shù)據(jù)——在泰爾技術(shù)的愿望里，“達(dá) · 芬奇”會(huì)是一臺(tái)能在2030年代初開始把質(zhì)子和硼-11聚變反應(yīng)產(chǎn)生的電力輸入電網(wǎng)的原型機(jī)。

罐中的等離子體

與此同時(shí)，加拿大溫哥華的通用聚變公司正同英國(guó)原子能管理局合作，建造一座示范性核聚變反應(yīng)堆。這座反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)理念或許是所有核聚變方案中最為奇怪的，是磁化靶聚變方案的復(fù)刻版。磁化靶聚變是一個(gè)興起于20世紀(jì)70年代的概念，具體做法就相當(dāng)于向金屬罐頭發(fā)射等離子體渦流，然后再把罐頭碾碎。如果碾壓的速度足夠快，那么金屬罐頭里的等離子體就會(huì)被壓縮、加熱到足以聚變的狀態(tài)。如果能頻繁做到這一點(diǎn)并且得到一股或多或少有些連續(xù)的核聚變能量脈沖，我們就擁有了一座核動(dòng)力反應(yīng)堆。

在通用聚變公司目前的設(shè)計(jì)概念中，他們會(huì)用熔融態(tài)的鉛-鋰混合物充當(dāng)金屬罐頭。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)速度達(dá)到每分鐘400轉(zhuǎn)時(shí)，這種混合物就會(huì)在離心力的作用下緊緊貼在圓柱體容器側(cè)面。在每個(gè)核聚變反應(yīng)周期開始時(shí)，一把指向下的等離子體槍會(huì)往反應(yīng)堆內(nèi)注入電離化的氘-氚燃料——這就是“磁化靶”——這會(huì)短暫地把轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬內(nèi)襯容器轉(zhuǎn)變成一個(gè)微型球形托卡馬克裝置。接著，排布在容器外側(cè)的一組負(fù)責(zé)壓縮空氣的活塞會(huì)推動(dòng)鉛-鋰混合物進(jìn)入渦流，并且在大約5毫秒內(nèi)將其直徑從3米壓縮到30厘米，進(jìn)而將氘-氚燃料加熱到足以發(fā)生核聚變的溫度。

整個(gè)過程最后產(chǎn)生的沖擊波會(huì)撞擊熔融態(tài)的鉛-鋰混合物，將其推回到轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱體壁上，并且重置整個(gè)系統(tǒng)以展開下一個(gè)反應(yīng)周期——大約1秒后啟動(dòng)。與此同時(shí)，在一個(gè)慢得多的時(shí)間尺度上，泵會(huì)穩(wěn)定地讓熔融狀態(tài)的金屬循環(huán)到外部，這樣一來，熱交換器就能收獲金屬吸收的聚變能量，且其他系統(tǒng)可以清除中子-鋰相互作用產(chǎn)生的氚。

所有這些組件都需要復(fù)雜且精細(xì)的布局，但如果一切都能按理論模擬的那樣順利展開，那么泰爾技術(shù)有望在2030年代就建成一座真正的氘-氚燃料核發(fā)電廠。

沒有人知道這里提到的各種核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)何時(shí)（甚至是否）會(huì)成為真正的商業(yè)發(fā)電廠 ，也沒有人知道率先進(jìn)入市場(chǎng)的核聚變反應(yīng)堆會(huì)不會(huì)是其他40多家核聚變公司正在開發(fā)的其他方案之一。

不過，有一點(diǎn)是肯定的，這些公司幾乎都不認(rèn)為對(duì)核聚變能源的探索是一場(chǎng)你輸我贏的賽馬或者說零和游戲。很多公司都曾稱贊對(duì)手攻勢(shì)猛烈，但本質(zhì)友善，這大概是因?yàn)樵谶@個(gè)迫切需要無碳能源（無論是何種形式）的世界里，有足夠的空間讓采取各種類型核聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)方案的商業(yè)公司取得成功。

通用聚變公司創(chuàng)始人、首席科學(xué)家米歇爾 · 拉貝奇（Michel Laberge）說：“要我說，我肯定覺得我的方案比他們的好。但如果你去問他們，他們也大概會(huì)說自己的方案比我的好。而且，從事這個(gè)行當(dāng)?shù)拇蠖鄶?shù)人都是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯空?，大家的方案都沒有根本性缺陷。可選方案越多，最終成功的概率就越高。這個(gè)星球真的很需要聚變能，而且是迫切需要?！?/p>

資料來源 Knowable Magazine

本文作者米切爾 · 沃爾德羅普（Mitchell Waldrop）是一位自由撰稿人，在美國(guó)華盛頓特區(qū)生活，主要報(bào)道環(huán)保材料、宇宙學(xué)等方面內(nèi)容