核聚變到底離我們有多遠(yuǎn)？未來(lái)5-10年很關(guān)鍵，中國(guó)處于領(lǐng)先

談到核聚變，人們總是忍不住嘲笑，說(shuō)它還需要30年。從原理上講，核聚變當(dāng)然是可能的，宇宙的每一顆星星都在核聚變。盡管如此，想在地球上復(fù)制核聚變卻極其困難。從1950年代開始工程師就在努力，但至今沒(méi)有成功。多個(gè)國(guó)家攜手合作打造ITER，它已經(jīng)建了11年，最初的預(yù)算是60億美元，現(xiàn)在已經(jīng)超支。中國(guó)是核聚變技術(shù)領(lǐng)先者，也是ITER參與者。

當(dāng)然，也有不少人想打敗ITER。6月17日，加州一家名叫General Fusion發(fā)話說(shuō)，它要建造一座演示性核聚變反應(yīng)堆，尺寸約為全尺寸商用反應(yīng)堆的70%。和ITER一樣，General Fusion也希望能在2025年之間讓反應(yīng)堆運(yùn)行。

General Fusion公司的老板Christofer Mowry說(shuō)：“核裂變?nèi)菀讍?dòng)，難以停止，核聚變完全相反?！睘槭裁春司圩冸y啟動(dòng)呢？因?yàn)楹司圩円罂量獭，F(xiàn)在大多的核聚變反應(yīng)堆想讓氘和氚融合。質(zhì)子帶正電荷，它們是排斥的。如果想讓兩個(gè)原子結(jié)合就需要克服排斥力，這就需要消耗大量能源。

目前流行的核聚變技術(shù)有兩種，一種是MCF（磁約束聚變），一種是ICF（慣性約束聚變），General Fusion選擇的道路相當(dāng)于二者之間，工程量小很多。

ITER建了一個(gè)托卡馬克磁約束聚變反應(yīng)堆，它用精密控制的高密度磁場(chǎng)加熱氫離子，加熱到幾億度，原子融合時(shí)還要保持等離子體穩(wěn)定。磁約束聚變的關(guān)鍵是要精準(zhǔn)控制磁場(chǎng)，讓超高溫等離子體保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而產(chǎn)生足夠的聚變。法國(guó)ITER實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆最長(zhǎng)只能保持六分半鐘，其目標(biāo)是達(dá)到10分鐘。

慣性約束聚變反應(yīng)堆不太一樣，它沒(méi)有使用磁場(chǎng)，而是用到強(qiáng)大激光器。比如加州的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），它用精準(zhǔn)控時(shí)的脈沖從各個(gè)方向轟擊燃料芯塊，讓溫度上升，達(dá)到與磁約束聚變相似的溫度，但同時(shí)它還會(huì)施加相當(dāng)于數(shù)十億個(gè)大氣壓的壓力壓縮它們。因?yàn)橛袕?qiáng)大的壓力，核聚變反應(yīng)更快。研究人員希望在燃料芯塊爆裂之前超短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生并收集足夠的能量。不過(guò)慣性約束聚變技術(shù)也有挑戰(zhàn)，精準(zhǔn)控制激光、確保燃料芯塊均衡壓縮相當(dāng)困難。

General Fusion將自己的方法叫作“Magnetised target fusion”，這種方法可以追溯到1960年代。General Fusion反應(yīng)堆用強(qiáng)大的電脈沖創(chuàng)造自穩(wěn)定等離子體，這些等離子體會(huì)注入反應(yīng)堆核心，所以不需要磁約束。研究人員將它比作煙圈，煙是一個(gè)環(huán)，中間是空的，它可以保持形態(tài)，持續(xù)幾秒，然后消散。

可惜這樣的等離子體只能維持大約20毫秒，太短了，我們無(wú)法獲取足夠多的能量。但這樣的時(shí)間足夠壓縮了，就像慣性約束聚變反應(yīng)堆一樣壓縮，但不需要先進(jìn)激光，用更普通的工具即可。一旦將等離子體注入General Fusion反應(yīng)堆，由氣體驅(qū)動(dòng)的活塞就會(huì)運(yùn)動(dòng)，壓縮內(nèi)核，大幅提高融合率。

激光壓縮會(huì)在幾十億分之一秒內(nèi)發(fā)生，General Fusion反應(yīng)堆約為幾千分之一秒（與內(nèi)燃機(jī)引擎差不多），而且還可以數(shù)字電子技術(shù)微調(diào)。General Fusion反應(yīng)堆相比MCF、ICF更便宜、更簡(jiǎn)單，這是它的一大優(yōu)勢(shì)。

General Fusion可能會(huì)在2030-2035年建造商用反應(yīng)用堆，它發(fā)的電能與其它類型的電力競(jìng)爭(zhēng)。按照公司的預(yù)測(cè)，General Fusion核聚變電力的成本有望達(dá)到每兆瓦50美元（1兆瓦相當(dāng)于1000度），這樣就與煤電差不多了。可再生能源發(fā)電可能更便宜一些，但可再生能源存在間歇性。核裂變電站的發(fā)電量無(wú)法快速調(diào)高調(diào)低，核聚變不一樣。只需要改變核聚變核心的循環(huán)速度，就可以讓電力輸出量增加或者減少，有時(shí)可增加10倍，或者減至十分之一。如此一來(lái)，高電價(jià)時(shí)增加發(fā)電量、低電價(jià)時(shí)減少發(fā)電量就會(huì)變得很容易。

在加州還有一家名叫TAE Technologies的公司，它創(chuàng)建于1998年，這家公司4月8日宣布融資2.8億美元，總?cè)谫Y達(dá)到11億美元，它準(zhǔn)備建造一座演示性核聚變反應(yīng)堆。和General Fusion一樣，TAE也依賴自穩(wěn)定等離子體。不同的是TAE想將氫和硼融合發(fā)電，不過(guò)這一過(guò)程需要的溫度更高，達(dá)到數(shù)十億度，但這種方法在輻射屏蔽方面有優(yōu)勢(shì)。

還有很多非政府企業(yè)研究核聚變，包括英國(guó)First Light Fusion、Tokamak Energy和美國(guó)Commonwealth Fusion Systems、Zap Energy。除了ITER，各國(guó)政府也有其它項(xiàng)目，比如德國(guó)馬克思-普朗克等離子體物理研究所就有自己的項(xiàng)目。英國(guó)卡勒姆核聚變能源中心也在建造STEP反應(yīng)堆，目標(biāo)是想在2040年投入使用，用來(lái)證明核聚變可行性。

Fusion Power Associates運(yùn)營(yíng)者Stephen Dean認(rèn)為，建造一座核聚變反應(yīng)堆，獲得足夠的能源，這是大家的目標(biāo)，但大家至今都沒(méi)有成功，在通往成功的道路上并沒(méi)有什么本質(zhì)的障礙；最終起決定作用的是經(jīng)濟(jì)，不是物理。假設(shè)真能建造出高科技聚變反應(yīng)堆，它必須與太陽(yáng)能、風(fēng)能競(jìng)爭(zhēng)?；茉垂疽苍谂?，想找到創(chuàng)新方法從電站收集二氧化碳排放并掩埋。另外，私人資本也對(duì)核裂變很感興趣。在地球越來(lái)越溫暖的今天，競(jìng)爭(zhēng)是好事，只是投資者要面臨很大的風(fēng)險(xiǎn)。

雖然核聚變技術(shù)很難攻克，但我們不應(yīng)該悲觀，未來(lái)5-10年相當(dāng)關(guān)鍵。如果單看專利申請(qǐng)，2019年中國(guó)達(dá)到高峰，2017年美國(guó)達(dá)到高峰，但日本德國(guó)似乎不夠活躍。

最近一段時(shí)間申請(qǐng)的專利主要瞄準(zhǔn)Super-X偏濾器系統(tǒng)，它是排氣系統(tǒng)的一部分，排氣系統(tǒng)可以減少粒子離開等離子體時(shí)產(chǎn)生的熱量和能量負(fù)荷。英國(guó)的MAST Upgrade項(xiàng)目已經(jīng)開始試用Super-X偏濾器系統(tǒng)。美國(guó)也在建造Sparc，它由MIT和Commonwealth Fusion Systems公司運(yùn)營(yíng)，今年開始建設(shè)，預(yù)計(jì)3-4年內(nèi)完工。

不久前中國(guó)核聚變反應(yīng)堆刷新世界紀(jì)錄，在1.2億度高溫下運(yùn)行101秒，在1.6億度高溫下運(yùn)行20秒。之前的紀(jì)錄是韓國(guó)KSTAR在2020年12月創(chuàng)造的，當(dāng)時(shí)它在1億度高溫下運(yùn)行20秒。

英國(guó)科學(xué)家似乎很看好Super-X偏濾器，因?yàn)楹司圩冇幸粋€(gè)關(guān)鍵障礙要克服：散熱。如果沒(méi)有先進(jìn)的散熱系統(tǒng)，就必須定期替換材料，從而使得核聚變電站的運(yùn)行時(shí)間大大縮短。Super-X可以幫商用反應(yīng)堆延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。

因?yàn)榇蠹业男判母邼q，創(chuàng)新者開始關(guān)注其它領(lǐng)域，比如他們開發(fā)可以長(zhǎng)時(shí)間抵抗極端高溫和壓力的先進(jìn)材料，用新方法清理維護(hù)反應(yīng)堆。激光約束技術(shù)也是大家關(guān)注的重點(diǎn)，不過(guò)和托卡馬克系統(tǒng)一樣，要想生產(chǎn)商用激光約束系統(tǒng)，還要繼續(xù)創(chuàng)新。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在商用之前需要開發(fā)出足夠強(qiáng)大、足夠高效的激光器。

核聚變一旦變成現(xiàn)實(shí)，必然改變?nèi)祟愇拿鳎Ｍ晒υ缫稽c(diǎn)到來(lái)，最好由中國(guó)人引領(lǐng)。