極客網(wǎng)·極客觀察6月30日 談到核聚變，人們總是忍不住嘲笑，說它還需要30年。從原理上講，核聚變當然是可能的，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，但至今沒有成功。多個國家攜手合作打造ITER，它已經(jīng)建了11年，最初的預算是60億美元，現(xiàn)在已經(jīng)超支。中國是核聚變技術(shù)領(lǐng)先者，也是ITER參與者。

當然，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，它要建造一座演示性核聚變反應堆，尺寸約為全尺寸商用反應堆的70%。和ITER一樣，General Fusion也希望能在2025年之間讓反應堆運行。

General Fusion公司的老板Christofer Mowry說：“核裂變?nèi)菀讍?，難以停止，核聚變完全相反?！睘槭裁春司圩冸y啟動呢？因為核聚變要求苛刻。現(xiàn)在大多的核聚變反應堆想讓氘和氚融合。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選擇的道路相當于二者之間，工程量小很多。

ITER建了一個托卡馬克磁約束聚變反應堆，它用精密控制的高密度磁場加熱氫離子，加熱到幾億度，原子融合時還要保持等離子體穩(wěn)定。磁約束聚變的關(guān)鍵是要精準控制磁場，讓超高溫等離子體保持足夠長的時間，從而產(chǎn)生足夠的聚變。法國ITER實驗反應堆最長只能保持六分半鐘，其目標是達到10分鐘。

慣性約束聚變反應堆不太一樣，它沒有使用磁場，而是用到強大激光器。比如加州的國家點火裝置（NIF），它用精準控時的脈沖從各個方向轟擊燃料芯塊，讓溫度上升，達到與磁約束聚變相似的溫度，但同時它還會施加相當于數(shù)十億個大氣壓的壓力壓縮它們。因為有強大的壓力，核聚變反應更快。研究人員希望在燃料芯塊爆裂之前超短的時間內(nèi)產(chǎn)生并收集足夠的能量。不過慣性約束聚變技術(shù)也有挑戰(zhàn)，精準控制激光、確保燃料芯塊均衡壓縮相當困難。

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反應堆用強大的電脈沖創(chuàng)造自穩(wěn)定等離子體，這些等離子體會注入反應堆核心，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，我們無法獲取足夠多的能量。但這樣的時間足夠壓縮了，就像慣性約束聚變反應堆一樣壓縮，但不需要先進激光，用更普通的工具即可。一旦將等離子體注入General Fusion反應堆，由氣體驅(qū)動的活塞就會運動，壓縮內(nèi)核，大幅提高融合率。

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

General Fusion可能會在2030-2035年建造商用反應用堆，它發(fā)的電能與其它類型的電力競爭。按照公司的預測，General Fusion核聚變電力的成本有望達到每兆瓦50美元（1兆瓦相當于1000度），這樣就與煤電差不多了?？稍偕茉窗l(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，有時可增加10倍，或者減至十分之一。如此一來，高電價時增加發(fā)電量、低電價時減少發(fā)電量就會變得很容易。

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達到11億美元，它準備建造一座演示性核聚變反應堆。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，不過這一過程需要的溫度更高，達到數(shù)十億度，但這種方法在輻射屏蔽方面有優(yōu)勢。

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

Fusion Power Associates運營者Stephen Dean認為，建造一座核聚變反應堆，獲得足夠的能源，這是大家的目標，但大家至今都沒有成功，在通往成功的道路上并沒有什么本質(zhì)的障礙；最終起決定作用的是經(jīng)濟，不是物理。假設真能建造出高科技聚變反應堆，它必須與太陽能、風能競爭。化石能源公司也在努力，想找到創(chuàng)新方法從電站收集二氧化碳排放并掩埋。另外，私人資本也對核裂變很感興趣。在地球越來越溫暖的今天，競爭是好事，只是投資者要面臨很大的風險。

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

最近一段時間申請的專利主要瞄準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產(chǎn)生的熱量和能量負荷。英國的MAST Upgrade項目已經(jīng)開始試用Super-X偏濾器系統(tǒng)。美國也在建造Sparc，它由MIT和Commonwealth Fusion Systems公司運營，今年開始建設，預計3-4年內(nèi)完工。

不久前中國核聚變反應堆刷新世界紀錄，在1.2億度高溫下運行101秒，在1.6億度高溫下運行20秒。之前的紀錄是韓國KSTAR在2020年12月創(chuàng)造的，當時它在1億度高溫下運行20秒。

英國科學家似乎很看好Super-X偏濾器，因為核聚變有一個關(guān)鍵障礙要克服：散熱。如果沒有先進的散熱系統(tǒng)，就必須定期替換材料，從而使得核聚變電站的運行時間大大縮短。Super-X可以幫商用反應堆延長運行時間。

因為大家的信心高漲，創(chuàng)新者開始關(guān)注其它領(lǐng)域，比如他們開發(fā)可以長時間抵抗極端高溫和壓力的先進材料，用新方法清理維護反應堆。激光約束技術(shù)也是大家關(guān)注的重點，不過和托卡馬克系統(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。簡單來說，在商用之前需要開發(fā)出足夠強大、足夠高效的激光器。

核聚變一旦變成現(xiàn)實，必然改變?nèi)祟愇拿?，希望成功早一點到來，最好由中國人引領(lǐng)。（小刀）

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