20年內，造出聚變核電站

包括國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃在內的大型核聚變研究項目幾乎毫無進展，一些私營公司正在探尋其他通往終極清潔能源的道路。

撰文 W·韋特·吉布斯（W. Wayt Gibbs）?

翻譯 雷奕安

坐在三阿爾法能源公司（Tri Alpha Energy）實驗聚變堆的控制室里，我們正在準備啟動聚變反應。看著眼前標著「等離子槍」和「放電控制」的顯示屏，我感到有點緊張。這座反應堆是未來發電廠的早期原型，這種電廠能夠以可控的方式，像恆星和氫彈那樣產生能量。

這座反應堆位於美國加利福尼亞州爾灣附近一個看上去平淡無奇的倉庫里。在頭頂的監控屏上，我看見倉庫里的工作人員正離開巨大的反應堆，朝門走去。反應堆中心是一個閃亮的柱狀真空室，長度大約相當兩輛首尾相接的校車，周圍繞著一圈環形電磁鐵，共24塊。這些電磁鐵比我高一點，跟我的大腿一樣粗。在我的控制下，真空室內的溫度會上升到大約一千萬攝氏度——雖然只是一瞬間。

「按一下那個按鈕，」操作員告訴我。我照辦了。

在附近的一座建築內，今天早上在本地電網的驅動下旋轉起來的四個沉重的飛輪，瞬間釋放出20兆瓦的強大電力。電流讓環形電磁鐵產生強大的磁場，並給一組大容量的電容器充滿電，為即將發生的超強放電做好準備。兩分鐘之內，控制屏幕上所有儀錶提示的狀態都從「準備中」變成了「已就緒」。

操作員俯身靠近一個麥克風：「啟動」，高音喇叭傳出了他的聲音。警報燈開始閃動。我將滑鼠游標移到「啟動」按鈕上，然後點擊。

電容器將它們積攢的巨大電量在一微秒中釋放出來。兩團氫離子云在柱狀真空室的兩端形成，並被射入真空室中心，速度接近每小時100萬千米。兩團氫離子碰撞在一起，形成一團形如巨大中空雪茄的旋轉等離子體。

聽起來很震撼，但是在控制室中，既沒有閃光，也沒有轟鳴，只發出微弱的「ping」的聲音，就像反應堆的房間中有人把扳手掉在水泥地上。很快，等離子體團散掉了，計算機開始處理反應堆中幾十個感測器獲取的上十億位元組數據流。警報燈熄滅，工作人員回到自己的崗位。

這只是又一次平常的聚變反應。如果你每天啟動聚變多達一百次，就像三阿爾法公司現在這樣，那麼再來一次不算什麼大事。

在今年2月我來參觀之前，兩年的時間內，C-2U實驗堆已經啟動了50 000次。因此，三阿爾法公司已經積累了足夠的數據，可以開始下一步的工作了。4月，公司的技術總監米希爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer），一位瘦高、容易興奮的物理學家，命令工程師們將實驗堆拆掉並回收有用的部件，用來組裝更先進的改進型反應堆C-2W。這一工作將在2017年中期完成。

三阿爾法公司的注入器（黃色和銀色部分）會射入中性原子束，讓熾熱的等離子體不斷旋轉，並使其在反應堆核心保持穩定。圖片來源：《環球科學》

三阿爾法公司的做法是，迅速建成一座原型堆，充分進行測試，然後馬上更新換代，這與常規的聚變研究方法有很大差別。幾十年來，做學術研究的科學家設計了巨大的機器，試圖利用它們來理解高溫高壓條件下等離子體的神秘行為——按理說這樣的等離子體應該發生聚變，但卻經常做不到。而賓德鮑爾，維也納一位創業企業家的兒子，開創了一種新的聚變研究風格。他們由投資人出資，用工程師的思維，專註於建造一個實際可用的聚變發電廠，而不是一座高能物理紀念碑。

還有幾家創業公司，例如位於加拿大溫哥華郊外的通用聚變公司（General Fusion），同樣確信自己能夠建成一座商用反應堆，而無須解決聚變之路上遇到的所有物理細節問題。這些聚變電廠的燃料可以從海水或一些常見礦物中提取，幾乎是取之不盡的，而且也不含碳。因此，這樣的電廠幾乎不會排放任何溫室氣體。它們也基本上沒有輻射泄漏和核武器擴散的風險，還能每天不間斷地為城市生產足夠的電力。這些先驅者要做的，只是解決人類迄今為止遇到的幾個最難的物理和工程問題而已。

米歇爾·拉伯奇，通用聚變公司的創始人和首席科學家，正在展示一個診斷儀器。這個儀器可以用來測試還沒有被證實的物理原理。「有很大的可能不如人意，但也可能是一個驚喜，「他說。圖片來源：《環球科學》

目前，這些實用主義者引起了大家的注意，因為學院派科學家已經走入死胡同：那些巨大的反應堆搞清了一些聚變的科學問題，但是直到本世紀中葉，這些反應堆也不能真正用來發電。一個例子是美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（National Ignition Facility, NIF）。這是一座造價40億美元的實驗裝置，它會用萬億瓦特功率的強大激光轟擊一個很小的燃料罐。「NIF一年只能進行幾百次聚變」，賓德鮑爾用他的奧地利口音輕快地說。而一座發電廠一天必須啟動聚變幾萬次。NIF在武器研究方面的確發揮了作用（這也是該裝置的主要目標），但是它的能量輸出必須再增加3萬倍才能勉強補償激光的能量消耗，然後再增加很多倍才會有商業價值。兩年前，利弗莫爾終止了一座原型聚變發電廠的設計工作。

第二個令人失望的例子是ITER，一座由多國合作在法國建設的10層樓高的裝置。它會利用巨大的超導磁鐵控制等離子體，使其在1.5億攝氏度下燃燒幾分鐘。ITER即使成功，也不會發電。

政治家們在2006年啟動ITER計劃時，希望能用110億美元在今年（2016年）完成建造工作。但是到今年5月為止，費用已經飆升到200億美元，其中美國要承擔大約50億美元。而且直到2035年之前，該裝置都不可能完全建成。沮喪的參議員們以90比8的投票，要求取消美國對該計劃的資助。但是，美國能源部隨後提交的報告對ITER表達了有保留的信任，在本文寫作之時，美國國會決定繼續支持該項目，至少持續到明年。

鑒於這些大型項目進展緩慢，賓德鮑爾和其他同行將他們的希望寄托在小型裝置上，這些裝置實現聚變的方案也與那些大項目有所不同。要實現聚變，科學家必須將少量的燃料壓縮到足夠緻密，加熱到足夠高的溫度，約束足夠長的時間，從而讓原子核融合在一起，將它們的少量質量轉變為大量的能量。NIF和ITER實現聚變的條件是兩個不同的極端。實現聚變的條件包括不同的等離子體密度和能量約束時間（等離子體保持高溫的時間長短）。大多數新方案都在極端條件之間尋找最佳聚變參數，此前，很少有研究是探索這些區域的。

同樣重要的是，這些創業公司即使不能取得成功，也可在較短的時間內確認其方案是不可行的。他們的聚變反應堆「可能比ITER便宜100倍，更容易建造，建造速度也更快，從而為他們取得更迅速的研究進展提供了條件」，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的聚變科學家斯科特·許（Scott Hsu）說。他本人也在另一家聚變創業公司HyperV Technologies工作。（在該公司的方案中，數百支等離子槍同時向球形反應堆的中心發射氬等離子體，讓等離子體聚集在一起壓縮氫燃料。）如果這類方案存在什麼致命缺陷，那麼在空耗幾十億美元資金和幾十年時間之前，就很可能被大家發現了。

這一點讓它們的投資人很滿意。通用聚變公司（General Fusion）得到的1億美元投資中，部分來自亞馬遜公司的創始人傑夫·貝索斯（Jeff Bezos）、加拿大政府，以及馬來西亞的主權財富基金。三阿爾法公司聲稱已籌集數億美元投資，投資人包括高盛公司，保羅·艾倫（Paul Allen，微軟公司的共同創始人）。另一個進展迅速的團隊是桑迪亞國家實驗室，他們的部分資金支持來自能源部先進研究計劃局（ARPA-E），這家機構也像風險投資那樣資助一些長線項目。

投資人在打高風險、高回報的賭。的確，聚變研究領域滿是這種例子，「大自然說，』想法很好，但是那樣行不通』「，桑迪亞項目的高級理論研究員斯蒂芬·A·斯盧茨（Stephen A. Slutz）打趣地說。

約束等離子體

聚變本身的性質，使得我們要維繫反應就必須要讓一團暴烈的等離子體保持穩定。被剝離了電子的兩個原子核，只有當它們靠得足夠近，時間足夠長，核子之間強相互作用的吸引力能夠克服質子之間的靜電排斥力的時候，才能發生聚變。聚變發生時，兩個離子融合成一個較重元素的原子核，其質量少於兩個離子的質量之和。丟失的物質質量轉變為龐大的能量，以光子和快速移動的亞原子粒子的形式釋放出來。裂變反應堆與之相反，通過鈾等元素的原子核裂變獲取能量，而不是讓原子核融合。

為了得到更高的聚變率，等離子體中的離子必須快速地相向運動，但是也不能太快。這意味著典型的聚變發生溫度是1億攝氏度左右。一座聚變堆，必須能夠在真空室中將超高溫等離子體壓縮到一個相對較小的空間內，並維持一段時間，才能讓聚變發生。根據經驗，等離子密度和能量約束時間的乘積必須大於10^14秒每立方厘米。密度、時間和溫度，這三種條件的多種組合都可以實現聚變。

ITER是一座托卡馬克型（tokamak）反應堆。它把大約0.5克氫的富中子同位素，即氘和氚放在一個小房子那麼大的真空室內，形成稀薄的等離子體。ITER追求的是低等離子密度和每次數秒的能量約束時間。

NIF與之相反，利用192束總功率達500萬億瓦的激光轟擊一個小小的柱形腔，靶中封有少量冷凍的固態氘和氚。產生和傳輸激光束的光學和電子器件需要一座30米高，三個足球場大的巨型建築才能裝下。為了實現點火（ignition，聚變燃料燃燒產生的能量能夠維持聚變持續進行，而不是依賴外界能量輸入），NIF追求的是高得難以置信的等離子密度。這是必須的，因為能量完全依靠慣性約束，只能維持不到1納秒的時間。

ARPA-E的項目負責人帕特里克·馬格拉思（Patrick MaGrath）說，在這兩個極端方案之間，即較為適中的等離子體密度和能量約束時間，也許會有很大的機會。目前科學家對適中的聚變條件還研究得比較少。但是，還沒有一座裝置能夠控制等離子體湍流和它的不穩定性，而在聚變過程中，湍流和不穩定性幾乎是肯定會發生的。控制一團正在發生猛烈聚變的熾熱等離子體，就像在不接觸的情況下捏住一隻蠟燭的火焰，但實際情況比那還要困難，因為等離子中的離子能夠自發產生破壞性的複雜電流和磁場。「即使你能點燃蠟燭，」美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室的聚變科學家迪倫· 布倫南（Dylan Brennan）說，「它也會把自己吹滅。」

新聚變方案

在這些聚變創業公司中，三阿爾法公司在控制等離子體方面進展最快。「你看到的所有東西都是一年內做出來的，」在我們走過23米長的C-2U裝置的時候，賓德鮑爾驕傲地說，該裝置與NIF或者ITER相比，簡直是太小了。僅僅在啟用三個月之後，它每天就能產生多達100團旋轉的氫等離子體，密度大約是設計目標（每立方厘米10^14個離子）的一半。等離子體團能夠在5毫秒內維持穩定和高溫。

這距離讓等離子體維持穩定幾天或幾周的目標還很遠。但實驗的限制因素主要是外接電源的功率。賓德鮑爾稱，如果是一個既能為自身提供電力，也能為電網發電的全尺寸反應堆， 「沒什麼理由不能達到我們期望的持續時間。」升級後的C-2W會增加一個數字反饋裝置，用來克服等離子體扭曲或者漂移的趨勢。

與三阿爾法沒有僱傭關係的斯科特·許說，該公司已經取得了「巨大的進展，他們本質上已經解決了穩定性問題」。但是，在穩定地注入燃料的同時，並在比目前高得多的溫度下維持更長的約束時間，是非常關鍵的，因為反應堆必須不間斷地發電。

與三阿爾法公司不同，通用聚變公司的反應堆是以脈衝方式運行的。公司的球形鋼反應室豎立在溫哥華郊區的一座倉庫內。直徑一米的反應室周圍布滿活塞。這些活塞的直徑有1/3米，長度跟米歇爾·拉伯奇（Michel Laberge）的身高差不多。身材高大，留著紅色鬍鬚的拉伯奇是公司的創始人和首席科學家。拉伯奇用他的加拿大法式口音描述這一蒸汽朋克風格的機器：「活塞被壓縮空氣加速到每小時200千米，然後錘擊底座——砰!」他一邊大聲說一邊猛拍手掌。「所有錘擊必須在5毫秒內完成，才能產生一道衝擊波」，衝擊波在反應室的正中心坍縮。

當所有部件組裝好之後，它們會每秒鐘啟動一次，就像一顆跳動的心臟。每一次跳動都會把一個等離子煙圈擠壓進球形反應室內，並引發短暫但強有力的連續聚變反應。拉伯奇說，用這種脈衝方法，更容易處理湍流，因為每個小的等離子體甜甜圈只需要保持一毫秒左右的穩定。

拉伯奇說，注入系統已經能夠產生密度足夠高的預壓縮等離子體，溫度和磁場強度也已經達到要求。但是等離子體僅存活了20微秒——離要求差50倍，然後就被不穩定性破壞。拉伯奇相信，他們設計的一個形狀像喇叭口的新噴嘴能夠扭曲等離子體自身產生的磁場，讓它的強度正好可以把燃料約束到足夠長的時間直至聚變發生。

但是，仍然「有很多同行認為通用聚變公司的方案行不通」，布倫南說，他也在協助這家公司。批評者不相信一個創業公司的小團隊有能力解決困擾學院派研究人員幾十年的等離子體難題。「但是從科學角度看，我們有理由說他們做不到嗎？」 布倫南反問，「沒有。」

在半個大陸之外的新墨西哥，桑迪亞國家實驗室正在進行一個叫MagLIF的實驗。他們已經完成了創業公司還沒有實現的一個目標：做出一次規模可觀的聚變。跟NIF一樣，MagLIF追求的也是高離子密度（大約每立方厘米10^24個離子）和幾納秒的能量約束時間。但是桑迪亞的系統只有34米大小，比NIF小得多，也便宜得多，因為它採用了兩步驅動方案，壓縮並加熱一個比鉛筆頭上的橡皮擦還小的圓柱靶中的燃料。

桑迪亞的Z機器產生短暫的強電流脈衝，能生成很強的磁場來壓縮聚變燃料。圖片來源：《環球科學》

一個叫做Z機器的裝置為MagLIF提供19兆安培的電流脈衝。脈衝形成強大的磁箍縮，令圓柱靶內爆。當圓柱靶開始內爆的時候，在極短時間內用萬億瓦特激光照射燃料，使其電離。實驗裝置同時產生另一個磁場，保證形成的等離子體不從圓柱兩端逸出。但是內爆的圓柱體會變得不穩定，導致燃料從邊上跑掉。

與2013年末實驗剛開始時相比，目前MagLIF每次啟動時的聚變反應數已經提升了100倍。「MagLIF已經幹得很不錯了，」斯科特·許說。項目負責人丹尼爾·希納斯（Daniel Sinars）說，計劃在2016年年底進行的實驗應該可以得到更好的結果。

如果進展順利的話，實驗組計劃將電流提升到25兆安培。這應該能夠引起大約10^16次聚變反應，釋放出的能量足以抵消燃料啟動聚變時從外界吸收的能量，與NIF在2014年取得的成果一致，而花費要小得多。「那會相當激動人心，」希納斯說。

桑迪亞國家實驗室已經制訂了升級Z機器的計劃。如果驅動電流達到60兆安培，並且在以前一直使用的氘燃料中加入氚，新的Z800機器應該能把每次啟動時產生的能量提高100 000倍。這能夠實現點火，比ITER提前10年或者更早實現自持聚變嗎？桑迪亞實驗室的研究人員計算的結果是，可能行。

由於桑迪亞是一家國家實驗室，任何大型升級計劃都要先得到國家的批准，但國家現在並不情願花錢。也許來自外界的競爭會改變國家的態度。斯盧茨說，中國的科學家已經建造了一個小版本的Z機器，正在重現桑迪亞發表的實驗結果，俄羅斯也計劃建造一台類似的50兆安培機器。

提升反應溫度

即使某個聚變方案能夠成功達到離子密度和約束時間要求，它仍需滿足第三個必要的聚變條件：高得難以置信的等離子體溫度。實現這一點很難，因為光輻射、電子相互作用和數不勝數的其他機制都會冷卻等離子體，吹滅剛剛開始的聚變反應。

例如，在桑迪亞實驗室，希納斯和斯盧茨就在絞盡腦汁地思考：激光為什麼不能像他們的模型計算的那樣加熱燃料。封閉燃料靶兩端開口的薄窗口可能會讓激光發生散射。但激光也許根本就不是理想的加熱工具。在一個商業系統中，「你可能需要用別的方式加熱燃料，」希納斯承認。桑迪亞實驗室團隊正在改善激光加熱效果，但是如果做不到的話，至少在早期階段就能發現方案是失敗的。

三阿爾法公司必須達到比競爭對手高得多的溫度。因為他們使用的是質子和硼11混合燃料，燃燒溫度為35億攝氏度。這比氘氚燃料的燃燒溫度高20多倍。

等離子體溫度越高，就越難以約束。但是賓德鮑爾打賭，三阿爾法的能量約束隨著溫度的提高，實際上會變得更好。到目前為止，實驗結果支持他的看法，但即使在新的C-2W裝置上，等離子溫度也還不到所需溫度的百分之一，約束持續時間也僅有30毫秒。賓德鮑爾承認他可能輸掉這場物理賭局，但是他說，「我們還沒有獲得更高溫度下的數據。我們將去證明它。」

通用聚變公司也必須與未知的物理問題戰鬥——也就是，熱量從等離子體中逃逸的速度有多快。「這無法通過第一性原理計算出來，所以有很大可能不如人意，但也可能是驚喜」，拉伯奇說。「如果（熱）損失比預計的嚴重，我們可以構建更大的機器。但是如果需要增大到ITER的大小，我們就麻煩了。」

從原型堆到發電廠

如果哪天某座聚變堆點火成功，人們肯定會開香檳慶祝——之後仍要解決大量的工程難題，才能將實驗堆轉化為能夠發電和賺錢的聚變電廠。到2040年，全球的電力供應量預計要增長70%，要在其中佔有一席之地，聚變還必須在成本方面與其他清潔能源競爭。

ITER之類的、巨大的托克馬克裝置可能永遠無法成功，麻省理工學院等離子體科學與聚變中心負責人丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）說，因為它們需要消耗自身產生的大部分能量才能正常運行。創業公司在工程方面有更多超前的考慮，但是仍然必須面對大量的實際問題。

例如，在可預見的將來，MagLIF的每一次啟動都將破壞部分設備。氘氚聚變產生的大部分能量都是以高能中子的形式釋放出來的，高能中子會破壞鋼鐵部件，並逐漸讓它們產生放射性。使用這種燃料的聚變電廠必須攔截高能中子，利用它們的熱能推動渦輪機旋轉發電，同時將有害效應降到最低。科學家還沒有想好如何避免中子的破壞。關於如何加快聚變頻率，即從一周幾次提高到一分鐘幾次，他們也還只有粗略和尚未證實的想法。HyperV公司和位於加利福尼亞州塔斯廷的磁慣性聚變技術公司（Magneto- Inertial Fusion Technologies），正在利用ARPA-E提供的資金研究相關方案。他們可能解決這些問題中的某幾個，但是這些努力離成功還很遠。

三阿爾法公司追求的是質子－硼聚變，就是為了避免令人頭疼的快中子問題。這種聚變會放出三個氦原子核（也叫阿爾法粒子，該公司名字就是從這來的）和X射線，但是幾乎沒有中子。該方案的缺點是：X射線攜帶了80%的聚變能量。

賓德鮑爾說，理論上，在反應室內襯裝上光伏電池就可以把X射線光子轉換為電能。但是這一技術還不存在。因此公司考慮讓冷卻劑流過反應室壁內側，帶走X射線沉積的熱量。通用聚變公司仍然堅持採用氘氚燃料。除了中子問題，這種反應還有一個缺陷，就是氚有一定放射性，而且非常稀少和昂貴。拉伯奇計劃讓熔融的鉛鋰合金渦流通過反應室，帶走中子的能量。中子也會把一些鋰原子分裂成氦和氚，氚可以回收用作燃料。

在紙面上，這是一個完美的解決方案。但是還沒人建造過這樣的系統。增殖產生的氚的量也還只能完全靠猜測，斯科特·許說。拉伯奇也擔心，當衝擊波通過鉛鋰合金的時候，少量的金屬會濺射到等離子體中，淬滅聚變，「就像往火上澆水一樣」。

值得追求的目標

考慮到ITER和NIF令人失望的進展，懷特說，「是時候全盤考慮我們目前的科研進展，看看有沒有其他理想方案了，」包括改進托克馬克讓它變小，或者將它扭曲成奇怪的形狀，即仿星器（stellerator）。「我很樂意看到這些方案的競爭，包括緊湊托克馬克、通用聚變公司方案、緊湊仿星器和三阿爾法公司的機器。讓我們看看誰會做得最好。」

目前，在美國出現的這場競賽依靠的是投資人的善意。斯科特·許說，資助非主流聚變方案的聯邦經費拖了一年又一年。他和普林斯頓等離子體物理實驗室的主任斯圖爾德·普拉格（Steward Prager）已經建議眾議院增加資助探索創新聚變概念的研究經費，這會激勵其他雄心勃勃的創業公司出來參與競爭。如果這些新概念成功，斯科特·許說，「聚變發電廠也許會在不到20年的時間內用幾十億美元建成。」

也許會，也許不會。就像賓德鮑爾指出的那樣，「有很大的可能，某個我們現在還不知道的物理問題會來困擾我們。」

但是，想想可能的回報吧：一種新的能源，不靠風的吹拂，不會被雲遮蓋，不需要對現在的電網系統做出巨大改動，不會引起對核武器的擔憂，不會熔毀，不會輻射電廠周邊的民眾，而且一旦開始進入市場，也可能比別的清潔能源更便宜。

這是不是值得更多的嘗試呢？

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