長(zhǎng)期以來，核聚變一直被視為清潔、安全、幾乎取之不盡的未來能源選項(xiàng)。與會(huì)產(chǎn)生大量有害、難以處理的核廢料的核裂變過程相比，核聚變不僅不會(huì)制造任何溫室氣體，且?guī)缀醪划a(chǎn)生任何廢物。但當(dāng)人們問到核聚變何時(shí)才能夠民用化和商業(yè)化時(shí)，此前的說辭永遠(yuǎn)是“再過20年或30年”。不過，現(xiàn)在情況可能有變，數(shù)家歐美初創(chuàng)公司日前表示，他們可能將核聚變商業(yè)應(yīng)用的時(shí)間大大提前。

罐子中的恒星反應(yīng)

與核裂變轟擊分裂較重的原子核相反，核聚變是指以較小的原子核（主要是氘和氚）相結(jié)合，在這一過程中釋放出巨大的能量，太陽的能量也正來源于此。就清潔環(huán)保、原料來源來看，核聚變要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于核裂變，它產(chǎn)生的核廢料半衰期極短，維護(hù)成本很低，安全性更高，聚變?cè)峡梢灾苯訌暮Ｋ崛?，巨量的氘氚原料可以說是取之不盡、用之不竭。因此核聚變很有希望成為未來解決氣候和能源危機(jī)的一把關(guān)鍵鑰匙。

但要使氘原子核與氚原子核結(jié)合在一起，必須在極大的壓力、極高的溫度下才能完成，而這需要耗費(fèi)大量能量，比目前我們能從核聚變中獲取的能量還要多。因此要實(shí)現(xiàn)“能量增益”（即獲得的能量大于輸入的能量），對(duì)人們來說才有意義。這極具誘惑力，卻難以實(shí)現(xiàn)。難度來自何處？一大挑戰(zhàn)在于，人們必須打造出強(qiáng)大到足以容納超高溫等離子體并且能承受極高壓力的容器。英國(guó)原子能機(jī)構(gòu)首席執(zhí)行官伊安·查普曼教授指出，其排氣系統(tǒng)“經(jīng)受的溫度與壓力將與太空飛船重新入軌時(shí)差不多”。此外還需要機(jī)器人維護(hù)系統(tǒng)，以及自動(dòng)填料、修復(fù)與燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)等。人們將可控核聚變形象地比喻為“罐子中的恒星反應(yīng)”。

這就是為什么距核聚變民用化總是還要“再過個(gè)二三十年”的原因。不過近些年來有數(shù)家歐美初創(chuàng)公司另辟蹊徑，它們聲稱，再過5年或更長(zhǎng)一些時(shí)間,就可以通過“微縮太陽”獲取無窮無盡的能量了。所謂“微縮太陽”，指的就是能夠提供充足、低廉的清潔能源的核聚變反應(yīng)堆。

英國(guó)的托卡馬克設(shè)計(jì)方案

位于英國(guó)牛津郡的Tokamak Energy公司在2018年12月剛剛完成最新一輪融資，使其在核聚變項(xiàng)目上的融資規(guī)模超過了5000萬英鎊（約合4.35億人民幣）。該公司采用的是一種球型托卡馬克設(shè)計(jì)方案——利用高溫超導(dǎo)體將等離子體限制在極強(qiáng)磁場(chǎng)中（這里的“高溫”超導(dǎo)是物理概念，相當(dāng)于零下70攝氏度）。該公司目前已經(jīng)打造了三臺(tái)托卡馬克（一種利用磁約束來實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器），其中2017年4月28日生產(chǎn)的第三臺(tái)利用厚30毫米的不銹鋼和高溫超導(dǎo)磁體打造，命名為ST40。這是最為關(guān)鍵的進(jìn)展，有了這種高溫超導(dǎo)磁體，就可以創(chuàng)造一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，從而避免讓超熱的等離子體破壞反應(yīng)堆的墻壁。2018年6月，該托卡馬克中的等離子體溫度成功達(dá)到了1500萬攝氏度，比太陽核心溫度還要高。該公司希望，2019年夏天，等離子體溫度能夠突破1億攝氏度（一旦達(dá)到這個(gè)重要閾值，自然排斥的帶電粒子就能被強(qiáng)壓在一起，誘發(fā)真正意義上的可控聚變反應(yīng)）。

“這是目前最成功的托卡馬克。”Tokamak Energy公司總執(zhí)行官喬納森·卡靈表示，“球型托卡馬克是一種效率更高的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)，因此我們能夠大大提高反應(yīng)的緊湊度和效率。此外它體積較小，因此靈活度更高，成本也較低廉。”它不同于目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）計(jì)劃，那個(gè)計(jì)劃采用的是大型甜甜圈設(shè)計(jì)。該公司下一步的目標(biāo)除了實(shí)現(xiàn)聚變所需要的高密度等離子體溫度達(dá)1億度外，還計(jì)劃在2025年前實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的示范項(xiàng)目，2030年實(shí)現(xiàn)完全商業(yè)化應(yīng)用。

美國(guó)的緊湊型聚變發(fā)電裝置

在大西洋另一邊，美國(guó)麻省理工學(xué)院正在與新成立的Commonwealth Fusion Systems（CFS）公司合作，共同研發(fā)自己的托卡馬克Sparc。CFS是麻省理工學(xué)院“等離子科學(xué)與聚變中心”衍生出來的創(chuàng)業(yè)企業(yè)，該創(chuàng)業(yè)公司目前已獲得超過7500萬美元投資，其中包括2018年3月從意大利能源公司埃尼（Eni）獲得的5000萬美元。該公司的目標(biāo)是依據(jù)麻省理工學(xué)院“等離子科學(xué)與聚變中心”的“ARC聚變反應(yīng)堆”（即價(jià)格合理、結(jié)實(shí)、緊湊的聚變反應(yīng)堆）概念，打造緊湊型聚變發(fā)電裝置。其中的關(guān)鍵一步是要建立世界上最強(qiáng)大的超導(dǎo)電磁鐵，超導(dǎo)電磁鐵也是緊湊型聚變裝置托卡馬克的重要組件。CFS和麻省理工學(xué)院用于制造超導(dǎo)磁鐵的材料是一種涂有釔-鋇-銅-氧（YBCO）復(fù)合材料的鋼帶，這種超導(dǎo)材料最早由IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)。這種超導(dǎo)磁鐵的效果非常值得期待，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是現(xiàn)有聚變?cè)O(shè)備磁場(chǎng)的4倍，這使得同等尺寸的托克馬克裝置的功率增加10倍以上。

麻省理工學(xué)院與 CFS 預(yù)期在3年內(nèi)完成超導(dǎo)電磁鐵的研究，屆時(shí)，他們會(huì)用這些超導(dǎo)磁鐵設(shè)計(jì)并建設(shè)一個(gè)緊湊型聚變實(shí)驗(yàn)裝置 SPARC。SPARC 的設(shè)計(jì)熱功率是 100 兆瓦。雖然熱功率不能全部轉(zhuǎn)化為能，但它已足夠?yàn)橐蛔〕鞘泄╇姟Ｗ钪匾氖?，輸出能量是加熱等離子體所需能量的兩倍，也就實(shí)現(xiàn)了聚變的技術(shù)門檻：凈能量輸出。雖然SPARC的輸出功率只有ITER的1/5，但它的尺寸也只有ITER的1/65左右。

加拿大的核聚變發(fā)電廠方案

與此同時(shí)，位于加拿大溫哥華的初創(chuàng)公司General Fusion聲稱，該公司將在未來10年內(nèi)建造一個(gè)原型核聚變發(fā)電廠，花費(fèi)不足10億美元，目前，它已從公共和私人渠道籌集了超過1.5億加元。與ITER計(jì)劃及上述兩家企業(yè)依靠托卡馬克這樣昂貴的超導(dǎo)磁體來容納所需要的超高溫等離子體以達(dá)到和維持聚變反應(yīng)不同，它采用的是一種相對(duì)不那么高技術(shù)的，被認(rèn)為是對(duì)工業(yè)界通稱的“磁化靶聚變”改進(jìn)的一種系統(tǒng)。它主要包含三部分：等離子體注入裝置，主要用于提供燃料；一系列活塞，用于壓縮燃料；一個(gè)裝有旋轉(zhuǎn)液態(tài)金屬混合液（鉛和鋰）的腔體。通過壓縮活塞，產(chǎn)生振蕩波，使腔體內(nèi)的氘原子、氚原子等密度和溫度不斷上升（當(dāng)溫度達(dá)到幾千萬攝氏度時(shí)，氘氚原子早已分裂成電子-質(zhì)子的等離子形態(tài)），從而維持聚變反應(yīng)所需要的溫度。它的體積也比一個(gè)有商業(yè)可行性的托卡馬克小得多——ITER正在建造的托卡馬克比很多露天體育場(chǎng)都大。

“核聚變正處于一個(gè)重大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如今我們可以將日漸成熟的核聚變技術(shù)與21世紀(jì)新誕生的輔助技術(shù)相結(jié)合，如增材制造、高溫超導(dǎo)體等等。核聚變?cè)僖膊皇?lsquo;再過30年’的事情了。”General Fusion的首席執(zhí)行官克里斯托弗·莫里指出。該公司希望在5年或更長(zhǎng)一些時(shí)間實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的核聚變。

除此之外，位于加州的“三阿爾法能源”以及位于西雅圖的“氦核能源”公司也在做類似的嘗試，而美國(guó)軍工及航空航天巨頭洛克希德·馬丁公司在其位于加州的“臭鼬工廠”建造的緊湊型聚變反應(yīng)堆也被認(rèn)為是走在該領(lǐng)域最前沿的項(xiàng)目之一。

在公共核聚變研究方面，韓國(guó)科學(xué)家將等離子體溫度加熱到了3億度，并維持了70秒；而位于安徽合肥的中國(guó)科學(xué)院等離子體所的全超導(dǎo)托卡馬克裝置（EAST）實(shí)現(xiàn)了101.2秒穩(wěn)定長(zhǎng)脈沖高約束等離子體運(yùn)行，這是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高約束達(dá)到百秒量級(jí)的托卡馬克裝置。

當(dāng)然目前全球最大的實(shí)驗(yàn)核聚變?cè)O(shè)施仍然是ITER（國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆），該核聚變項(xiàng)目共涉及35個(gè)國(guó)家，投資已達(dá)200多億美元，目前還在法國(guó)建設(shè)。但直到2025年后才會(huì)點(diǎn)火試營(yíng)，此后還需要更長(zhǎng)時(shí)間才能投入商業(yè)應(yīng)用。

私營(yíng)企業(yè)的出現(xiàn)很可能對(duì)ITER的地位和前景構(gòu)成挑戰(zhàn)。但無論是由雄心勃勃的私營(yíng)初創(chuàng)企業(yè)還是由各國(guó)政府支持的計(jì)劃項(xiàng)目贏得最終的競(jìng)賽，即率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化可控核聚變，人類都將是最大的贏家。

（作者：谷峻戰(zhàn)，系中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所副研究員）