核能有兩種類型：裂變和聚變。傳統(tǒng)的核電站通過裂變利用鈾發(fā)電。然而，由于熔毀風(fēng)險(xiǎn)、核廢料、擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)（即炸彈）和成本，這并不受歡迎。另一方面，F(xiàn)usion 沒有這些問題。但是，它仍在開發(fā)中。

“商業(yè)融合”是指以類似于碳基資源的成本發(fā)電。這要求聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的電能比消耗的電能多，而且成本要合理。目前，這不可用；然而，過去 10 年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明這是可行的。最大的問題是：什么時(shí)候？

聚變化學(xué)

原子由一個(gè)被電子包圍的中心原子核組成，如圖 2 所示。原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子的數(shù)量決定了材料的類型。例如，氫有一個(gè)質(zhì)子，氦有兩個(gè)，鋰有三個(gè)。電子圍繞原子核運(yùn)行并帶有負(fù)電荷，而原子核內(nèi)的質(zhì)子與中子結(jié)合，帶有正電荷。

圖 2：原子由位于中心的質(zhì)子和中子組成，被電子包圍。

物質(zhì)以四種不同的狀態(tài)存在：固體、液體、氣體和等離子體。這一點(diǎn)得到了希臘人的認(rèn)可，他們在 2500 年前說世界是由土、水、風(fēng)和火構(gòu)成的。火和閃電是等離子的例子。

通常可以通過將氣體加熱到大約 10,000?C 來將氣體轉(zhuǎn)化為等離子體。這導(dǎo)致電子與其原子核斷開并在空間中自由漂浮。然后可以進(jìn)一步加熱到大約 1.5 億攝氏度，以將原子核融合在一起并釋放額外的熱量。后一步是融合。

恒星中的等離子體類似于托卡馬克聚變反應(yīng)堆中的等離子體。太陽的等離子體將地球表面加熱到~14?C，托卡馬克的等離子體將其內(nèi)表面加熱到~600?C。

最容易融合在一起的原子是氘（1 個(gè)質(zhì)子 + 1 個(gè)中子）和氚（1 個(gè)質(zhì)子 + 2 個(gè)中子）。這些形成氦原子（2 個(gè)質(zhì)子 + 2 個(gè)中子）、孤立的中子和更多的熱量，如圖 3 所示。產(chǎn)生的熱量可以通過蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)化為電能或用于制造氫氣。

圖 3：實(shí)現(xiàn)聚變的最簡單方法是將氘氣和氚氣加熱到約 1.5 億攝氏度。這會(huì)產(chǎn)生氦、中子和熱量。

融合機(jī)

融合氘和氚的最簡單方法是使用托卡馬克反應(yīng)器，如圖 4 所示。主要部件是環(huán)形腔、等離子體、磁鐵和圍繞等離子體的約 1 米厚的結(jié)構(gòu)，稱為“毯子。”

為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)聚變，必須從燃燒室中抽空空氣，注入氘氣和氚氣，加熱以產(chǎn)生等離子體，將聚變熱從毯子轉(zhuǎn)移到蒸汽輪機(jī)，然后發(fā)電。有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱英國 AEA 融合視頻。

尋求商業(yè)融合

Q等離子體是熱輸出與熱輸入的比率。如果這至少大于 5，那么反應(yīng)堆應(yīng)該能夠在不注入熱量的情況下保持聚變。這被稱為“點(diǎn)火”或“燃燒等離子體”，類似于用火柴點(diǎn)燃篝火。點(diǎn)燃原木后，火柴被移除，燃料自行燃燒。現(xiàn)在沒有發(fā)生這種情況；然而，點(diǎn)火是一個(gè)重要目標(biāo)，可能會(huì)在幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

下一步是需要產(chǎn)生比整個(gè)系統(tǒng)消耗更多的電力。這被稱為“工程盈虧平衡”或“電力盈虧平衡”。

在那之后，人們需要生產(chǎn)的電力成本低于天然氣或煤炭的成本。這被稱為“經(jīng)濟(jì)盈虧平衡”或“商業(yè)融合”，這是融合社區(qū)的最終目標(biāo)。

融合數(shù)學(xué)

可以將圓環(huán)的線性尺寸定義為R o (米)，其中R o的三次方是體積(R o 3 )。也可以將中心的磁場定義為 B，以特斯拉 (T) 為單位。

根據(jù)聚變物理學(xué)，Q等離子體熱增益（熱輸出/熱輸入）與R o 3 × B 5成正比 。請注意，我們說“與”成正比。實(shí)際的等離子體Q值由其他因素決定，例如等離子體溫度、限制等離子體的能力和燃料類型。

上述等式意味著磁場強(qiáng)度B加倍導(dǎo)致 Q等離子體增加 32 倍 (2 5 )；并且線性尺寸R o加倍導(dǎo)致 Q等離子體增加八倍 (2 3 )。這也意味著，對(duì)于給定的磁體強(qiáng)度，可以計(jì)算點(diǎn)火所需的環(huán)形尺寸。

融合機(jī)

下面是幾個(gè)聚變反應(yīng)堆的總結(jié)。表中的前三個(gè)仍在開發(fā)中。

圖 5：選擇運(yùn)行或開發(fā)中的聚變反應(yīng)堆

JET 是一項(xiàng)較早的計(jì)劃（B = 4 T，R o = 4 米）的一個(gè)例子，該計(jì)劃在 1980 年代觀察了幾秒鐘的受限等離子體。

ITER是一個(gè)耗資250億美元的國際項(xiàng)目（B = 5T，Ro =10米），希望在2025年完成建設(shè)，希望在2030年代實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。它設(shè)計(jì)為一次運(yùn)行幾分鐘并帶走熱量；但是，它不會(huì)發(fā)電。ITER 的模型如圖 6 所示，右下角有一個(gè)人。

ITER 不會(huì)在 2020 年代嘗試點(diǎn)火，因?yàn)檫@需要氚燃料。氚使內(nèi)部組件具有輕微的放射性，因此無法使用。隨后，ITER 將在 2020 年代進(jìn)行低功率測試，然后在 2030 年代嘗試用氚點(diǎn)火。

1990 年代的 ITER 工程師查看了他們最好的磁鐵，并計(jì)算出他們需要建造得更大才能點(diǎn)火。然而，大意味著長的開發(fā)時(shí)間和高成本。根據(jù)今天的聚變數(shù)學(xué)，使用更強(qiáng)大的磁鐵和更小的尺寸實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火成本更低且更容易。

Commonwealth Fusion Systems (CFS) 是麻省理工學(xué)院的衍生公司，目前擁有 18 億美元的風(fēng)險(xiǎn)投資和強(qiáng)大的 12-T 磁鐵。這比 ITER 的 5-T 磁體 (12 T ÷ 5 T) 高 2.4 倍，如果其他條件相同，則Q等離子體增加80 倍 (2.4 5 )。

CFS 正在利用其資金和磁鐵建造 SPARC（B = 12 T，R o = 3 米），這是一個(gè)希望在 2025 年左右實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的聚變反應(yīng)堆。為了最大限度地縮短開發(fā)時(shí)間，它不會(huì)散熱，一次只運(yùn)行幾秒鐘。

CFS 還在研究 ARC（B = 9 T，R o = 5 米），這是一個(gè)希望在 2030 年代投入運(yùn)行的反應(yīng)堆。ARC 的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火、散熱、連續(xù)運(yùn)行、發(fā)電和實(shí)現(xiàn)工程盈虧平衡。CFS 籌集的資金數(shù)額巨大，表明投資界看到了融合隧道盡頭的曙光。

融合景觀

圖 7 說明了 Q等離子體如何作為環(huán)形尺寸R o和磁場強(qiáng)度B的函數(shù)而變化。

圖 7：Q等離子體熱增益隨著環(huán)形尺寸的三次方和磁場的五次方而增加。

如果 R o太大，由于環(huán)形體積與成本成正比，成本會(huì)增加。如果 R o太小，則由于能量輸出低，成本會(huì)增加。此外，如果磁體強(qiáng)度B太小，則由于低 Q等離子體導(dǎo)致成本增加。綜上所述，要實(shí)現(xiàn)商業(yè)融合，可能需要在圖中的 ARC 附近。

Cost and time to develop the reactor are somewhat proportional to the toroidal volume. Therefore, if one wants quick data, they need to be small. ITER is the opposite of small and is taking 30 years to develop. This long duration puts it at risk of being obsolete before completed. ITER’s value is that it’s supported much research over many years and made programs like SPARC and ARC possible. However, if $25 billion had been directed by the world’s top fusion scientists’ month to month instead of funding a large development project, we would probably be further along.

CFS’s quest for commercial fusion via advanced magnets is putting pressure on others to keep up or become irrelevant. The British (MAST-U), Chinese (EAST), Koreans (KSTAR), French (WEST), and others are feeling the heat. However, there are still challenges, several of which are summarized below. And it is not clear when these will be resolved.

Challenge No. 1: Confine plasma

To achieve ignition and make electricity at reasonable cost, the plasma needs to be well-confined. This has been a problem due to internal turbulent behavior within the plasma, as well as other issues, and it is not clear when these will be fully resolved.

粒子被限制在等離子體中的時(shí)間稱為“限制時(shí)間”，Q等離子體能量增益與該時(shí)間成正比。換句話說，如果一個(gè)人將禁閉時(shí)間加倍，Q等離子體也會(huì)加倍。

限制時(shí)間受等離子室的形狀、該室周圍控制磁體的位置和數(shù)量、檢測等離子體的傳感器的位置和類型、根據(jù)傳感器讀數(shù)控制磁體的反饋控制軟件、能力去除氦氣廢氣等因素。

科學(xué)家們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以了解更多關(guān)于禁閉的信息。然而，在大多數(shù)情況下，他們已經(jīng)從現(xiàn)有的反應(yīng)堆中學(xué)到了一切。為了獲得更多知識(shí)，他們需要新的和改進(jìn)的反應(yīng)堆。

新設(shè)備的一個(gè)例子是英國的 MAST-U，它有 18 個(gè)控制磁鐵和許多傳感器，在等離子體研究方面比它的許多前輩更有能力。相比之下，ITER 的磁鐵更少，內(nèi)部形狀是 25 年前設(shè)計(jì)的。SPARC 的等離子限制也很現(xiàn)代，類似于 MAST-U。

圖 8：英國現(xiàn)代聚變反應(yīng)堆 MAST-U 的側(cè)視圖（來源：CCFE）

挑戰(zhàn)二：培育氚

如上述聚變化學(xué)方程式中所述，氚作為燃料被消耗。此外，氚是昂貴的。因此，聚變反應(yīng)堆需要自己制造氚。這被稱為“增殖”并且是可行的，因?yàn)楫?dāng)中子撞擊其他原子（例如鋰）時(shí)會(huì)產(chǎn)生氚，如圖 9 所示。換句話說，等離子體周圍的覆蓋層需要包含鋰并且需要包含提取新產(chǎn)生的氚氣的機(jī)制。這一切皆有可能；然而，它從未被充分證明。

圖 9：來自等離子體的中子轟擊毯中的鋰以產(chǎn)生氦和更多的氚。

挑戰(zhàn) 3：排出熱量

聚變機(jī)產(chǎn)生兩種類型的熱量，這兩種熱量都需要去除。一種來自于對(duì)環(huán)形內(nèi)表面輻射的光子。另一個(gè)來自穿透該表面并加熱毯子的中子。穿透發(fā)生約一米；然而，大多數(shù)加熱發(fā)生在前 20 厘米內(nèi)。毯子的主要目的是捕獲熱量并將其向外移動(dòng)，如圖 10 所示。

圖 10：毯子吸收中子，向外移動(dòng)熱量，保護(hù)外部結(jié)構(gòu)免受中子損壞，并通過鋰產(chǎn)生更多的氚。（來源：MITSPARC）

典型的熔融內(nèi)表面加熱為 1 MW/m 2。這是具有挑戰(zhàn)性的，尤其是在存在強(qiáng)磁場和中子輻射的情況下。作為參考，日光浴者會(huì)產(chǎn)生 0.001 MW/m 2的表面加熱，而重新進(jìn)入大氣層的宇宙飛船會(huì)產(chǎn)生 500 倍以上的熱量，如圖 11 所示。

圖 12 顯示了如何通過毯子移動(dòng)熱量的示例概念。左側(cè)的等離子體向碳化硅金屬壁（藍(lán)色）發(fā)射光子（紅色）。這面墻的后面是一層流動(dòng)的熔融鋰鉛（紫色）和一層流動(dòng)的熔融鋰鹽（棕色）。這些層之后是約 1 米厚的熔融鋰鹽儲(chǔ)層（橙色）（例如 FLIBE），它吸收基于中子的體積熱并滋生氚。

圖 12：等離子體的中子輻射被毯子吸收并轉(zhuǎn)化為熱量。

如前所述，成本在某種程度上與環(huán)形體積成正比，并且大部分體積熱量傳遞到毯子內(nèi)的前 20 厘米體積。因此，為了在經(jīng)濟(jì)上可行，機(jī)器必須通過中子將大約 20 MW/m 3的能量移動(dòng)到該體積中，并通過流動(dòng)的液體將其移出。美國家庭平均消耗約 0.001 兆瓦的電力；因此，這就像通過輻射將價(jià)值 20,000 戶家庭的電力轉(zhuǎn)移到一立方米中，然后通過流動(dòng)的液體將其轉(zhuǎn)移出去。

挑戰(zhàn) 4：最小化中子損傷造成的成本

中子轟擊固體材料中的原子晶格結(jié)構(gòu)，使它們隨著時(shí)間的推移而變脆。液體沒有這個(gè)問題，因?yàn)樗鼈儧]有晶格結(jié)構(gòu)。隨后，毯子中的第一米固體成分大約需要每年更換一次。以低成本做到這一點(diǎn)是一個(gè)挑戰(zhàn)。一種可能的方法是抬起反應(yīng)堆的上半部分，露出易碎的部分，然后更換和恢復(fù)上半部分，如圖 13 所示。

圖 13：如何拆卸反應(yīng)堆以更換被中子輻射損壞的內(nèi)部組件的示例（來源：https ://www.burningplasma.org/activities/uploads_tec_talk1/FESAC_TEC_Demountable_Coils_FinalDraft.pdf ）

挑戰(zhàn) 5：知識(shí)產(chǎn)權(quán)協(xié)議

多方持有多項(xiàng)聚變專利。隨后，擁有重要專利的每一方都可能會(huì)阻止制造商。頂級(jí)專利持有人同意分享的大交易將是有幫助的。然而，一些專利所有者的要求可能比其他人愿意容忍的要多。一種解決方案是在專利到期后進(jìn)行商業(yè)融合。

隨著我們越來越接近商業(yè)融合，人們可能會(huì)認(rèn)為專利協(xié)議變得更加重要。然而，這并不完全正確。如果在此之前很久就達(dá)成協(xié)議，工程師更有可能利用他人控制的技術(shù)，這可能會(huì)提高他們的生產(chǎn)力。例如，如果當(dāng)今世界的聚變工程師能夠使用 CFS 磁體，他們就可以更輕松地專注于商業(yè)聚變。

融合研究

為了發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，科學(xué)家們構(gòu)思了經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的理論。在某些情況下，他們使用計(jì)算機(jī)來模擬理論并預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如果模擬始終如一地預(yù)測結(jié)果，則認(rèn)為它是基于有效的理論。進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間會(huì)影響科學(xué)家驗(yàn)證理論的速度。在聚變的情況下，進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)通常需要建造一個(gè)新的聚變反應(yīng)堆，這需要 5 到 30 年。

人們可以將聚變分解為單獨(dú)的科學(xué)問題，例如磁體開發(fā)、等離子體約束研究和毯式研究。在每一種方法中，人們都可以看到進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的最簡單方法。例如，要開發(fā)磁鐵，需要一個(gè)測試磁鐵的測試夾具，而不是大型聚變反應(yīng)堆。為了測試等離子限制和排氣，人們需要像 MAST-U 這樣的東西，這是一個(gè)帶有相對(duì)簡單磁鐵的小型反應(yīng)堆。

工程師可以在不離開辦公桌的情況下對(duì)整個(gè)聚變反應(yīng)堆進(jìn)行僅紙質(zhì)設(shè)計(jì)。他們可以從設(shè)計(jì)目標(biāo)開始，例如“設(shè)計(jì)一個(gè)商業(yè)上可行并使用現(xiàn)有材料的反應(yīng)堆”。他們可以計(jì)算成本，計(jì)算物理參數(shù)，并模擬磁鐵產(chǎn)生的力之類的東西。此外，他們可以匯總尚未解決的問題列表。

Fusion 工程師已經(jīng)完成了上述所有工作。他們已經(jīng)分解了組成部分，他們已經(jīng)展示了它們的實(shí)驗(yàn)工作，他們已經(jīng)完成了商業(yè)聚變反應(yīng)堆的純紙?jiān)O(shè)計(jì)，并且他們已經(jīng)收集了需要注意的問題清單。在 CFS 開發(fā)出強(qiáng)大的磁鐵之前，僅紙質(zhì)設(shè)計(jì)無法通過現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。然而，新的磁鐵改變了這一點(diǎn)，商業(yè)融合的純紙?jiān)O(shè)計(jì)開始形成。剩下的主要問題是在高磁場和高中子輻射的情況下低成本的散熱。工程師們正在為此努力。

在這十年里，要讓商業(yè)融合運(yùn)行起來需要什么？

為了加速核聚變研究，基金會(huì)或政府可能會(huì)設(shè)立一個(gè)額外的研究基金，由世界頂級(jí)核聚變科學(xué)家指導(dǎo)，并獲得每年數(shù)億美元的資金支持。脫碳可能會(huì)花費(fèi)世界數(shù)萬億美元；因此，更多的融合資金是合理的。政府和基金會(huì)應(yīng)該問：“頂級(jí)團(tuán)隊(duì)會(huì)用更多的錢做什么，可能的結(jié)果是什么？” 和“在這十年中運(yùn)行商業(yè)融合需要多少成本？”

結(jié)論

磁鐵和等離子限制的最新進(jìn)展導(dǎo)致資本涌入，其中大部分流向了強(qiáng)大磁鐵的持有者 CFS。金錢和磁鐵是危險(xiǎn)的組合；然而，討厭的問題可能會(huì)延遲成功。為了加速發(fā)展，基金會(huì)和政府應(yīng)該考慮更多的支持，可能由世界頂級(jí)聚變科學(xué)家指導(dǎo)。

審核編輯 黃昊宇