7月25日，在泰国那空那育府，泰国公主诗琳通启动托卡马克实验装置

　　“要实现商业融合，必须克服一些挑战，利益相关者对这一时间表的预测从10年到几十年不等。”

文/《环球》杂志记者 韩啸

编辑/马琼

　　美国能源部下属劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家7月30日成功重现“核聚变点火”突破，第二次在可控核聚变实验中实现“净能量增益”。

　　这之前，去年12月科研人员在该实验室“国家点燃实验设施”进行的可控核聚变实验首次实现核聚变反应净能量收益，聚变实验中产生的能量多于引发反应的能量。这一突破被认为是核聚变科学的重要里程碑，证明这项被称为能源领域“圣杯”的技术，确实有望成为现实。

　　核聚变技术实用化也在提速。今年5月，美国氦核能源公司与微软签署了历史上第一份核聚变能源商业合同，将于2028年为微软提供至少50兆瓦的电力，全球核聚变能源实用化目标似乎近在咫尺。

　　回顾历史可知，核聚变技术在过去几十年中的研究主要集中于公共资助项目，例如，由35个国家共同参与建设、位于法国的国际热核聚变实验堆（ITER），累计耗资超200亿美元，是目前世界上最大的核聚变项目。

　　近年来，英国托卡马克能源公司、美国联邦聚变系统公司、加拿大通用聚变公司等初创企业在核聚变领域涌现，筹集大量资金致力于将核聚变技术商业化。业内普遍认为，随着尖端研究转向私营部门，全球核聚变研发竞争正在加剧。

“人造太阳”

　　核聚变是太阳和其他恒星的主要能源来源，因此被科学界称为“人造太阳”。其原理是将轻元素施以高温高压使之聚变为重元素，释放巨大能量。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，质量与能量之间存在等价关系。核聚变所释放的能量巨大，是目前已知的所有能源形式中最高的，比煤、石油、天然气燃烧等化学反应的最大功率要平均多释放四五百万倍的能量。

　　现有的聚变技术，最有效的配对来自氢的两种同位素（氘与氚）之间的聚变反应，将燃料加热到超过1亿摄氏度，并施加逾1000亿倍地球大气压的压力，从而发生核聚变反应。

　　作为一种能源方式，核聚变的优点显而易见——其所需的氘、氚等燃料资源在地球上的存储非常丰富：氘可以直接从海水中提取，氚可以通过中子和锂反应产生。更令人欣喜的是，核聚变不产生温室气体和长时间放射性废物，能有效解决目前日益严峻的气候变化问题，所以被视作近乎无限的零碳清洁能源。

　　然而，要实现可控核聚变将其应用于商业发电是一项巨大的技术挑战。半个多世纪以来，核聚变能源的巨大潜力吸引着各国物理学家们持续深入相关研究。

　　加拿大通用聚变公司首席业务开发官杰伊·布里斯特认为，由于超级计算机和3D打印等辅助科技的进步，让更精确的建模和制造实践成为可能，私营企业现在得以进入核聚变领域。加上资金的涌入，私营核聚变行业将迈上新的台阶。

　　拥有37家正式会员公司的美国核聚变工业协会（FIA）首席执行官安德鲁·霍兰德表示，核聚变有多种技术路线，协会公司正在追求使用不同的技术解决方案，这增加了至少有一项正在开发的技术取得成功的可能性。

不同技术路线共同竞争

　　为实现可控核聚变，一般会采用惯性约束和磁场约束这两种方法。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的“国家点燃实验设施”就是采用惯性约束核聚变方案；磁约束则大多使用托卡马克装置，因传统托卡马克装置规模巨大，需要巨额资金，多属于公共或政府间项目。

　　正在建设的ITER是世界上最大的核聚变工程，使用巨型环状容器托卡马克，注入氢燃料使其在极端高温下发生电离，形成原子核质子和电子自由移动的等离子状态。继而，在托卡马克装置中来回穿梭的强磁场和电场包围等离子云，控制稳定的同时不断加热，让其中的原子相互碰撞、融合，完成核聚变。

　　目前，世界上只有一个托卡马克装置能够实现氘氚聚变反应：从1983年开始运行、位于英国牛津郡的欧洲联合环（JET），其同样采用托卡马克装置。2021年，JET完成核聚变研究的一项重大突破：在5秒内产生了能量输出为59兆焦耳的稳定等离子体，打破了此前1997年同样由JET创下的21.7兆焦耳的纪录。

　　然而，从单次实验到核聚变能源实用化仍道阻且长。

　　《科学美国人》杂志近日引用最新披露文件撰文称，于2006年正式启动的ITER项目正面临工期推迟、预算超支等诸多问题，原定于2025年建设完成、2035年开始氘-氚运行的进度很可能面临推延。

　　值得关注的是，私营部门在关键技术上完成“降成本”创新突破格外抢眼。

　　英国托卡马克能源公司3月发布消息称，该企业利用ST40“球形托卡马克”核聚变装置将反应堆加热到了1亿摄氏度，这是氢原子可以开始聚变的阈值。

　　传统的托卡马克装置规模巨大，而球形反应堆要紧凑得多，所有环绕磁铁替换为在室中央以柱子形式相遇，让反应堆形成一个类似苹果的扁圆形状。这让磁铁更接近等离子体流，因此磁铁更小，使用更小功率可以产生更强烈的场。专家认为，托卡马克能源公司的反应堆更小，运行时的等离子体加热功率更小，这可能为第一个商用聚变电站铺平道路。

　　另一项推动核聚变商用化的关键技术是超导磁铁。该磁体由稀土氧化钡铜制成，形成厚度小于0.1毫米的窄带。这些“高温”磁铁的工作温度在零下250摄氏度至零下200摄氏度之间，或大约是液氮的温度，这将大大减少反应成本。

　　托卡马克能源公司首席执行官克里斯·凯尔索尔说：“当与高温超导磁体相结合时，球形托卡马克代表了实现清洁和低成本商业聚变能源的最佳途径，我们的下一个装置将首次结合这两项世界领先技术。”

　　源自美国麻省理工学院的美国联邦聚变系统公司也在超导磁铁领域做出技术突破：该企业尝试利用一种新型高温超导材料结合托卡马克装置，预计于2025年投入运行能产生净能量的实验反应堆。

大批资金涌入

　　核聚变能源的巨大潜力正在吸引越来越多的资金涌入私营部门，其中不乏亚马逊初创人杰夫·贝索斯、比尔·盖茨、谷歌母公司、美国石油巨头雪佛龙、欧洲能源巨头埃尼公司等知名投资方。

　　根据FIA报告，截至2022年核聚变领域的私人投资额激增至47亿美元，该行业短短1年内的投资额就超过此前的投资总额。

　　横向对比看，在全球范围内，美国公司在私营核聚变领域具有早期优势，全球该领域约80%的私人投资资金流向美国公司。目前37家FIA会员企业中，23家会员成立于美国，其他大部分也都在美国设立有子公司。

　　为支持核聚变私企加速核能源研发进程，美国能源部门陆续下达多笔资金补助。5月底，美国能源部为8家开发核聚变能源的美国公司颁发4600万美元，用于建设核聚变试点工厂。该基金来自2020年的一项能源法案，未来资金总额高达4.15亿美元。

　　与此同时，中国、日本、韩国、英国和德国等也在核聚变领域做出战略规划。今年4月，中国有“人造太阳”之称的全超导托卡马克实验装置（EAST）创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒。2017年，中国推出比ITER规模更大的聚变工程实验反应堆（CFETR），计划到2035年建成，开始大规模科学实验。

　　霍兰德呼吁，公共部门与私企合作不应仅限于资助基金，“我们需要政府部门、国家实验室、大学和社区充分发挥作用，一起为核聚变能源商业化作贡献。”

未来悬而未决

　　虽然核聚变技术里程碑和巨额投资频繁登上新闻头条，但专家指出，核聚变关键技术难题、实验安全性、商用高成本等棘手问题远未解决，核聚变确切的商业化时间表仍不确定，需要进一步更显著的技术突破。

　　美国政府问责办公室（GAO）3月发布了一份报告，认为聚变技术在产生商业电力之前面临许多挑战。“要实现商业融合，必须克服一些挑战，利益相关者对这一时间表的预测从10年到几十年不等。更通俗地说，从聚变中提取能量以提供经济的电力来源的任务提出了几个尚未解决的复杂系统工程问题。”

　　报告指出，公共和私营部门的失调、监管的不确定性和其他因素也给聚变能源的发展带来挑战。公共部门的努力优先考虑基础科学，但聚变能源的发展需要额外重视技术和工程研究。另一个因素是监管的不确定性，这可能会减缓聚变能源的发展，尽管制定适当的法规来确保安全而不限制发展是很困难的。

　　美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室前主任罗伯特·戈德斯顿表示，许多私营公司的主张缺乏公开数据，这意味着无法判断这些计划成功的可能性有多大。

　　他认为，目前的资金水平和普遍的初创心态可能会比预期更快地推动核聚变行业的发展，但这仍然是一个渺茫的机会，政府的政策支持和投资将在推动核聚变技术发展方面发挥重要作用。

来源：2023年8月23日出版的《环球》杂志 第17期

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