“受控”核聚变最终会小步变成“现实”

美国麻省理工学院（MIT）技术评论月中发表理查德 马丁（Richard Martin）的文章[1]说，聚变发电研究的焦点已从政府重大科研项目转向创业公司的新颖设计。

核聚变在三十年的政府资助、昂贵研究之后，没有产生切实的突破，而是从有希望高效、无限电力来源变得更像个"广告妙语"了。

然而，去年开始发生改变。几个追求新颖的聚变堆设计、得到私下资助的公司和大学为基础的小型研究团体，发表了很有"前景"的成果，能把生产原型机的"时间表"从几十年缩短到几年。商业聚变发电仍然有很长的路要走，但这种反应堆的轮廓现在可以"感知"了。

传统的聚变研究集中于大型、环形机，称为"托克马克"。它运用强大的磁场压缩高温等离子体（即动荡的带电粒子）聚合形成氦，并在此过程中释放出大量的能量。挑战是约束高热的等离子体并保持它稳定。现今的聚变堆如法国南部的国际热核实验堆（ITER）工程，使用巨大的电磁线圈，消耗的能量比机器实际生产的还多。ITER吸引科学家、从中国、欧盟、印度、俄罗斯、日本、韩国和美国筹集资金，预计成本几十亿美元，想在这个世纪30年代的某个时候建成一个工作的反应堆。或许有可能。

两个最新的进展，为生产能源的聚变堆提供了新的、更快的途径，使聚变界很受"激励"。基地在加州小丘牧场（Foothill Ranch）的三阿尔法能源公司（Tri Alpha Energy）八月初说，它成功地保持高能等离子体稳定达五毫秒，比眨眼的时间还短，但按其首席技术官米希尔·本德鲍尔（Michl Binderbauer）的说法，在聚变反应的尺度上，就是"半个世纪"了。

本德鲍尔说，三阿尔法公司把高能粒子加速器的原理，如大型强子对撞机用于聚变堆问题。尤其是该团队建造了个长23米的装置，两个等离子体"云"相互点火，形成一个等离子体环。约束环在一起的磁场靠等离子体自身生成，这种技术称为"反场位形"（FRC）[2]。等离子体靠加速器注入高能粒子维持。

本德鲍尔说，三阿尔法的设计面对的挑战是"足够热和足够长"，即在足够高的温度下保持等离子体稳定，以实现"获得"能量的聚变。最近的实验表明，这个公司--曾从投资人引来几百万美元的资助，包括高盛（Goldman Sachs）和伏尔甘（Vulcan）、微软共同创办人保罗 艾伦（Paul Allen）投资基金--已解决了"足够长"的难题。使等离子体"足够热"是下一个关键挑战。明年，三阿尔法公司将开始建造新的、更强大"版本"的实验装置，试验更高温下的过程。

在麻省理工学院（MIT）的等离子体科学与聚变中心，核科学工程教授、这个中心的主任丹尼斯 怀特（Dennis Whyte）为首的团组和研究生布兰登 索鲍（Brandon Sorbom），七月发表了名为ARC（买得起、强健、紧凑）机器的概念设计。这个新奇的ARC设计是电磁约束等离子体性质的。使用最近开发的、灵活的稀土钡铜氧化物制成的超导条带，可以使ARC堆磁场的振幅高得多，因而使反应堆设计尺寸比其他托克马克机器小得多。研究人员还设想用液态"再生体"环绕等离子体，吸收中子避免损害，并用高效热交换介质发电。

增强环绕磁场的振幅，使等离子体内产生的聚变功率上升四个数量级。这种提升引人注目。据怀特说，有可能在一年左右的时间制造一台商业原型机。

"众所周知，如果把磁场提到很高水平，就可制造非常紧凑的装置，"他说，"但电磁铁必须是铜的--超导与磁场不相容。"现在，先进超导条带的出现可使紧凑的反应堆连续产生聚变。

发表在《聚变工程与设计》上的这篇ARC堆的论文[3]强调，目前它只是个概念设计。怀特希望吸引资助，在接下来的几年内建造一个实验机。与此同时，一大批私营公司，不仅包括三阿尔法公司，而且还有基地在英国的托克马克能源公司（Tokamak Energy）和基地在温哥华的通用聚变公司（General Fusion），都在对相关但不同的设计进行研究，以便使聚变进入原型机阶段[4]。

"我们越来越接近可行的机器"，通用聚变公司创始人、首席科学家米希尔·拉伯奇（Michel Laberge）说。"多年来，聚变研究是政府大型实验室的领地，做了伟大的工作并确定了聚变可行的基础。但没有很大的紧迫感。"

现在，"紧迫感"增加，而且这些公司正在试验新理念和新办法，吸引投资这么做。通用聚变公司最近就拥有马来西亚主权财富基金为首投资人团体的2.7千万美元新基金。

赢得1976年诺贝尔物理奖、三阿尔法公司顾问伯顿·里克特（Burton Richter）说，"现在发生的事情值得反思"。上个世纪90年代削减预算，强迫停止各种替代选择方法，但ITER和美国能源部国家点火装置除外。三阿尔法等公司尝试不用纳税人的钱、而用私营部门的资金铺设一条通向受控聚变的路--而这最终成了实际上取得某些成就的唯一道路。

普林斯顿等离子体物理实验室等离子体物理学家乔纳森 梅纳德（Jonathan Menard）指导的国家球形花托试验，正在追求用类似沙滩球形托克马克替代环形面圈。梅纳森最近完成了自己的9.4千万美元升级的试验机计划，紧紧跟踪三阿尔法和ARC成就的进展，而且相信这些创新应当进一步跟踪。

然而，有个谨慎的资深聚变科学家曾提出警告：不要"直到建成聚变堆，还不确信。"

注释：

1. Richard Martin，Finally, Fusion Takes Small Steps Toward Reality，MIT Technology Review，September 14, 2015

2. FRC-field-reversed configuration

3. B.N. Sorbom, J. Ball, T.R. Palmer, F.J. Mangiarotti, J.M. Sierchio, P. Bonoli, C. Kasten, D.A. Sutherland, H.S. Barnard, C.B. Haakonsen, J. Goh, C. Sung, D.G. Whyte，ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets，Fusion Engineering and Design，14 July 2015

4. Tyler Hamilton, A New Approach to Fusion, MIT Technology Review, July 31, 2009