这一次，它甚至可能奏效。

2023年1月12日，英国牛津郡议会批准在卡勒姆村附近修建一栋新建筑。申请方通用核聚变公司是一家加拿大公司，在这家公司的计划里，这栋新大楼的主要功能是承载其核聚变示范项目，也就是一个商业核聚变反应堆原型。通用核聚变公司之所以选址在卡勒姆，是因为那里同时也是联合欧洲环（JET）的所在地。1983年，多国政府联合在卡勒姆启动了JET这个实验性聚变反应堆。这意味着当地有大量熟知核聚变技术的工作人员可供通用核聚变公司聘用。

选择在卡勒姆拓展企业版图的并不只有通用核聚变公司一家。2月10日，英国托卡马克能源公司公布了原型机ST80的计划，选址也在卡勒姆。2024年，还会有一家叫作“破晓聚变”的英国公司加入这支队伍，这家公司推出的是预商业演示原型机。

与此同时，在大西洋彼岸的马萨诸塞州，联邦聚变系统公司已经开始在波士顿西部的德文斯镇建造一台名字叫SPARC的原型机了。在美国的另一边，华盛顿州的埃弗雷特，氦核能源公司也同样在建造原型机，名叫“北极星”。而在洛杉矶郊区的山麓牧场，TAE技术公司也在研究一种叫作“哥白尼”的机器。

这六家公司，以及聚变产业协会（这一新兴产业的贸易组织）认证的其他36家公司，都希望能借着绿色能源的东风，走向无碳未来。这些公司认为，虽然其他企业的相关尝试都失败了，但他们能够做到将核聚变从实验室引入电网——而且使用的机器会比目前正在法国南部建造的庞然大物国际热核聚变实验反应堆（ITER）小得多，也便宜得多。ITER是核聚变领域最新的多国联合项目，按照美国能源部估计，耗资高达650亿美元。这些公司之所以对前景如此乐观，一是因为掌握了过去没有的材料和技术，二是因为拥有了更简单的设计方案。

在聚变产业协会快速变长的成员清单上，许多都是刚入局的新手。不过，通用核聚变公司、托卡马克能源公司、联邦聚变系统公司、氦核能源公司和TAE技术公司都已经吸纳了至少2.5亿美元的投资——实际上，TAE技术公司获得的投资额高达12亿美元，联邦聚变系统公司更是高达20亿美元。破晓聚变公司获得的投资大约为1亿美元，但它使用了比其他公司更简单的方法——用破晓公司总裁巴特·马库斯（BartMarkus）的话说就是“他们用的螺丝更少”——所以对现金的需求没有那么迫切。

所有这些公司的项目时间规划都大同小异。他们要么正在建造倒数第二台原型机——他们希望是倒数第二台，但不能保证——要么马上就要这么做。他们都计划在21世纪20年代中后期使用这些原型机解决核聚变能源商业应用过程中的问题。这些公司也都认为，在那之后建造的机器，即便是实验性的，也能起到正常发电厂的作用——大部分的额定功率在200MW到400MW之间——从而能够向电网供电。在大多数公司看来，这一愿景在21世纪30年代初就能实现。

核聚变能源的历史

人类在20世纪二三十年代发现太阳的产能机制就是质子的聚变过程——质子（氢原子核）聚变成氦原子核（⁴He，也即α粒子）。从那时开始，我们就一直梦想着利用聚变为现代社会的方方面面提供能量。氢原子聚变反应的产物质量略小于参与反应的物质总质量——一个α粒子的质量小于四个质子。但缺失的质量并没有消失，只是被改造了。根据爱因斯坦的质能方程，这部分质量以热的形式转化为能量。

从技术理论角度上看，这个想法前景光明，但人们很快就发现，像太阳那样聚变是不可能的。

原子核聚变需要的条件相当苛刻，要么极高温，要么极高压，甚至两者都需要。压力会缩小原子核之间的空间，促使它们相遇。而热量能让它们保持足够快的运动速度，保证它们真的相遇时可以克服彼此之间的静电斥力（也即库仑势垒），从而让一种只在短程范围内起作用的基本力——强力——占据主导地位。正是强力让质子和中子结合在一起形成原子核，因此，一旦突破库仑势垒，就会迅速形成更大的原子核。

虽然太阳核聚变的温度很高（1550万摄氏度），但完全在工程师的能力范围内。实验反应堆可以产生100亿摄氏度的高温，并且有望达到更高的温度。然而，太阳核聚变的巨大压力（2500亿个大气压）却无法实现。此外，太阳核聚变的原材料也很难驾驭。按照现在的估计，生产氦原子核的第一步——让两个独立质子结合在一起，形成氢的重同位素氘（一个质子和一个中子）——平均需要90亿年。

因此，工程师只能尽可能模拟太阳核聚变。常规方法就是从氘开始，让它与一种更重且具有放射性的氢——氚（一个质子和两个中子）——聚变，产生⁴He和一个中子。（直接聚变氘核理论上也可行，实验中也有尝试，但效率只有常规方法的千分之一。）通用核聚变公司、托卡马克能源公司、联邦聚变系统公司、破晓聚变公司，以及JET和ITER等政府项目使用的都是这种常规方法。

图1 全球私人核聚变能源公司数量变化情况

点火序列启动

聚变释放的能量以反应产物的动能形式呈现，其中80%最后都会储存到中子内。目前的方案是用一张吸收毯拦截中子，以热量的形式捕获核聚变产生的能量，然后用这些热量来制造蒸汽并发电。按照这个方案，反应堆还能生产他们需要的氚（自然过程产生的氚极少），具体方法是在吸收毯中加入一些⁶Li（锂的一种同位素，能与中子反应生成氚和α粒子）。氘的来源完全不是问题，因为每3200个水分子中就有一个含有氘。

不过，并非所有公司都在走氘-氚聚变的路线。氦核能源公司和 TAE技术公司就提出了无中子聚变的方案。

氦核能源公司的方案是从³He（由两个质子和一个中子构成，是氦的一种较轻的同位素，也是太阳核聚变过程的中间产物）开始。不过，与太阳核聚变过程（两个³He聚变产生一个⁴He和两个质子）不同，但它不是像在太阳中那样将两个氦原子聚变（产生4氦原子和两个质子），氦核能源公司让一个³He和一个氘原子核聚变，产生一个⁴He和一个质子。通过调节反应环境条件就能提升副反应（两个氘原子产生一个³He）发生率以补充作为原料的³He。

TAE技术公司的方案就更吸引人了。他们用的是硼（由5个质子和6个中子构成）和普通的氢，这两种原料都很容易获取。硼和氢聚变后的产物会分解成三个α粒子。实际上，TAE就是3个阿尔法粒子能量（Tri-Alpha Energy）的缩写。问题在于，要想取得令人满意的效果，硼-氢（质子）聚变反应堆需要达到的温度不是1亿摄氏度，而是10亿摄氏度。

即使是常规的氘-氚聚变方案，促进核聚集的方法也有许多种。核聚集这个操作的目的是创造符合劳森标准的反应条件。约翰 · 劳森（John Lawson）在20世纪50年代首创了这个标准，所以便用他的姓氏命名。劳森意识到，要实现核聚变发电，就必须同时兼顾温度、密度和核反应的持续时间。这三种因素结合就产生了一个叫作三重积的值，如果这个值足够高，就能做到“点火”——核聚变反应产生的能量能实现自给自足。

最常见的核反应堆设计就是托卡马克装置，主要考虑温度因素。1958年，俄罗斯发明了这种装置，因为它能更好地控制用作燃料的氘-氚等离子体，所以问世后就迅速取代了之前的Z冲压和仿星器法。（等离子体是一种类似气体的流体，处于等离子态的原子，核与电子分离。）托卡马克装置的反应室是一个包含等离子体的真空环面。环面周围还包裹着一组环形电磁线圈，环面上下面是成对极向线圈，中间则是一根螺线管（图2A）。

托卡马克装置的多块磁体组合在一起，可以控制带电等离子体粒子的行为——把这些粒子囊括进来并加热到原子核聚变的程度。然而，等离子体必须远离反应容器的壁面。一旦等离子体与容器接触就会立即冷却，聚变也会随即停止。仿星器虽然也是环形的，但磁体排列方式更复杂，也更难控制。Z冲压法则通过让电流通过等离子体来产生自我约束的磁场。

传统托卡马克装置的环面像一个甜甜圈，但托卡马克能源公司的设计（图2A展示的就是当前版本的内部——充满等离子体）看起来就像一个没有核的苹果。20世纪80年代的计算结果表明，这种构型比甜甜圈更有效率。计算出这个结果的是当时在欧洲联合环面工作的艾伦 · 赛克斯（AlanSykes），他也是托卡马克能源公司的创始人之一。

赛克斯博士的线圈绕组使用的是高温超导带材，因而极大提高了这种球状构型的效率和紧凑性。（这里的“高温”意味着这种材料的工作温度低于氮的沸点-196摄氏度，而不是液氦的-269摄氏度）。高温超导带材不会对通过的电流产生任何阻力，因而耗电量很小。这种高温超导带材现在已经进入商业领域，可以从几家供应商那里买到。

联邦聚变系统公司也在磁体中使用了高温超导体。因此，虽然这家公司的托卡马克装置仍是传统的甜甜圈构型，而不是没有核的苹果，但也相当紧凑。

这两家公司对托卡马克装置的另一项改良——等离子体控制——重要性不亚于磁体材料方面的改进。举个例子，运行托卡马克能源公司系统的控制室复杂程度足以让詹姆斯·邦德电影相形见绌，使用的软件能够以极快的速度跟踪记录等离子体的行为——快到每100微秒就能微调一下设定条件，使等离子体远离反应容器壁。这个系统的商业版本一旦问世，就能持续运行。

图2 核聚变入门指南

基于压力的方案

另一边，通用聚变公司计划使用一种叫作磁化目标聚变的方法，以期从压力和温度两方面入手匹配劳森标准。公司老板米歇尔·拉伯奇（Michel Laberge）解释说，他们使用的燃料仍然是等离子体，但反应容器的内衬是装着液态金属的转动圆筒——原型机中使用的液态金属是锂，按计划，后续商业版本中的应该是锂和铅的混合物。

燃料注入到圆筒内部空腔后，气动活塞立刻就会将金属向内推（图2B），空腔随即塌陷成一个小球体。这样就能压缩并加热等离子体，直到它们开始聚变。如果这个系统能够实现点火，那么液态锂就会吸收产生的热量——之后，我们可以从液态锂中提取出这些热量以产生蒸汽。同时，一些中子会将衬里中的6Li转化为氚。

通用聚变公司也依靠复杂软件控制活塞，从而把等离子体塑造成合适的形状。不过，拉伯奇博士认为，不使用电磁体既能简化设计，又能消除潜在的故障点。

与此同时，TAE技术公司和氦核能源公司都使用了所谓的场反转配置（图2C）约束等离子体。它们的反应室类似空心的杠铃，只不过中间还有第三块“配重”。反应室两端产生旋转的等离子体环面，然后通过磁场射向对面。它们的碰撞触发聚变。同样，如果没有复杂的控制系统，这个方案就不成立。

TAE技术公司和氦核能源公司都计划直接产生电力，而不是通过蒸汽的方式带动发电机。氦核能源公司希望从合并后的等离子体环面磁场与外部磁场之间的相互作用中获取电能。TAE技术公司的具体做法目前还未公开，他们表示正在仔细考察几种不同方案。

聚变产业协会36家成员中暂时处于“尾部”的几家公司正在以其他方式推动技术极限。其中一部分正在探索进一步的燃料循环——例如，利用氘核反应发电，而不仅仅是将这种反应用于测试仪器，或者推动锂与质子聚变。还有一些公司则坚持氘-氚路线，但正在研究不同类型的反应堆。

例如，西雅图的赞普能源公司正在使用增强型等离子体控制技术复兴Z冲压法。还有几家公司，包括美国的普林斯顿仿星器公司和第一类能源集团公司以及法国的文艺复兴聚变公司，都试图重拾仿星器方案——他们相信现代计算可以解决这个方案的顽疾。

不过，托卡马克装置、场反转配置和通用聚变公司的液压方案最直接的竞争对手都是一种叫作“惯性聚变”的设计。在惯性聚变方案中，燃料最初位于一个小小的胶囊内，通过承受外部冲击来克服库仑势垒。

目前，惯性聚变方案的领头羊是破晓聚变公司。工程师以电磁方式加速并发射“炮弹”，冲击反应舱（图2D）。炮弹的目标是一个立方体放大器内的燃料胶囊。放大器可以增强撞击产生的冲击波（按照预期，图2D中的装置产生的冲击波速度应该能达到每秒80千米），并将其折射，使其从各个方向同时汇聚在胶囊上。最后，燃料内爆，实现点火级别的三倍积。

不过，破晓聚变公司使用的并非常规方法。大多数惯性聚变方案的支持者都计划用激光传递冲击波，其中包括得克萨斯奥斯汀的聚焦能源公司、慕尼黑的惊奇聚变公司以及加利福尼亚雷德伍德城的埃克斯西梅尔能源公司。他们遵循的是国家点火设施（美国政府研究原子武器物理学的项目NIF）开辟的道路。

环保需求给聚变能源研发提供了大量资金

2022年12月，NIF宣布了一个引发轰动的消息——实现了“点火”。不过，净产出能量还不到总投入能量的1%，这意味着距商业核聚变的另一个必要条件Q>1还差得很远。Q是设备净产出能量与总投入能量之比。不同版本的Q对“净产出”和“总投入”定义不同。但与商业核聚变最相关的定义是“插头对插头”——为运行核聚变装置从电网中抽取的电力与核聚变装置向电网输送的能量比值。聚焦能源公司、惊奇聚变公司和埃克斯西梅尔能源公司都希望能满足Q>1的定义。

这一切听起来都前景光明、激动人心。然而部分批评家担心的正是这种表面繁荣。

首先，核聚变技术商业化依然存在诸多技术挑战。马库斯博士对螺丝数量的关注显然是精明之举。尤其值得一提的是，他的公司（另外还有通用聚变公司）解决了对复杂磁等离子体控制系统的需求——因为这两家公司在设计上就规避了这个系统。

其次就是资金因素。聚变和其他技术领域一样，受益于最近一段时间的低息贷款。等到这段低息时期过去，位于核聚变领域尾部的公司可能会举步维艰。不过，处于领先地位的企业在形势良好的时期囤积了大量资金，这应该有助于他们坚持下去，直到投资者能够根据业绩而不是愿景来评判他们的成果。

再次，21世纪30年代初实现聚变能源商用的愿景也显然不是必然能实现。实际上，在这个领域，既定截止日期延后并不是什么新鲜现象。英国政府计划建造一个名为STEP的球形托卡马克装置，这个项目设定的截止日期更加谨慎：2040年。

另外，即使我们真的开发出了商用核聚变机器，它也必须找准自己的定位。上述公司目前的口径是，为太阳能和风能等间歇性能源提供“基准”电力——这么做还可以避免公众对另一种显而易见的替代能源（核裂变）的普遍恐惧。这个目标或许可行，但成本也必须做到比竞争能源方案（如电网规模的储能系统）更低廉才行。

不过，核聚变的支持者至少有一个充满希望的绝佳理由：他们现在有各种看似可行的方法。只要其中有一种方法能使核聚变产能从幻想变为现实，就可以彻底改变人类社会现在的能源格局。

资料来源 The Economist