要到达世界上最神秘的核聚变公司之一，访客必须穿过圣安娜山脚下、加利福尼亚州尔湾市东部的一个郊区办公园区，才能到达 Tri Alpha Energy 那栋巨大但没有标记的总部大楼外。
这是任何局外人无需签署保密协议能够到达的最接近的地方；Tri Alpha 对其商业机密保护得非常严密，甚至没有网站。但是，已经泄露出来的零星信息表明，这栋大楼内设有美国目前运行的最大的核聚变实验之一，同时也是最不寻常的实验之一。Tri Alpha 没有使用主导核聚变能源研究 40 多年的“托卡马克”环形反应堆，而是正在测试一种线性反应堆，声称这种反应堆体积更小、结构更简单、成本更低，并且将在短短十年多的时间内实现商业核聚变发电，远远领先于人们通常认为的托卡马克反应堆的 30 到 50 年。
在世界领先的核聚变项目，一个名为 ITER 的巨型托卡马克反应堆陷入延误和成本超支的情况下，这听起来特别吸引人。该设施正在法国卡达拉舍建造，预计将是第一个能够从其等离子体燃料的持续燃烧中产生多余能量的核聚变反应堆。但是，它的成本预计将高达 500 亿美元，约为最初估计的 10 倍，并且在 2027 年之前不会开始首次燃料实验，比计划晚了 11 年。
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由于 ITER 消耗了美国核聚变能源预算的大部分，因此替代方法的支持者几乎没有政府支持。但是，对托卡马克技术日益增长的不耐烦情绪刺激了 Tri Alpha 团队以及美国和加拿大的许多其他物理学家去寻求不同的选择。在过去的十五年中，这些特立独行的人至少成立了六家公司，以寻求替代的核聚变反应堆设计方案。有些公司报告了令人鼓舞的结果，更不用说吸引了大量的投资。Tri Alpha 本身已经从微软联合创始人保罗·艾伦和俄罗斯政府的风险投资公司 Rusnano 等处筹集了 1.5 亿美元。
但是，这种成功也带来了对其大胆承诺的更多审查。马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院 (MIT) 的核物理学家杰弗里·弗莱德伯格说，Tri Alpha“在开始扩大到反应堆尺寸时，面临着非常棘手的问题需要克服”。例如，该公司必须证明它能够达到燃烧其想要使用的奇异燃料所需的十亿开尔文温度，并且必须展示一种将能量输出转化为电力的实用方法。马里兰州盖瑟斯堡的倡导组织 Fusion Power Associates 的负责人斯蒂芬·迪安说，关于任何其他初创公司也可能提出类似的问题。“我认为你不能诚实地说这些东西中的任何一个都处于可以快速展示核聚变的阶段，”他说。
替代核聚变公司能否保持其发展势头并证明其创始人乐观态度的合理性？或者，它们会像之前的许多核聚变梦想一样破灭吗？
追随太阳
原则上，建造一个核聚变反应堆只是模仿太阳的问题。取出氢或其他轻元素的适当同位素，加热以剥离原子核上的电子并形成电离等离子体，然后压缩该等离子体并将其保持一段时间，使原子核融合并将一部分质量转化为能量。但是，在实践中，试图模仿一颗恒星会导致可怕的工程问题：例如，捕获在磁场中的热等离子体往往会像一条挣扎着逃脱的愤怒的蛇一样扭曲和转动。
核聚变研究人员长期以来一直认为托卡马克是控制这种等离子体野兽的最佳方法。这些反应堆由苏联物理学家在 20 世纪 50 年代开发，并在十年后向西方公布，它们的等离子体密度、温度和约束时间都比之前的任何机器高得多。随着物理学家改进设计，他们改进了托卡马克控制高能等离子体的方式。
但是从一开始，许多物理学家就怀疑托卡马克是否有可能扩大规模以实现商业电力输出。首先，它们非常复杂。环形腔室必须缠绕多组电磁线圈，以形成约束等离子体的磁场。更多的线圈穿过环形孔，以驱动强大的电流穿过等离子体（请参阅“捕获核聚变火焰”）。
然后是燃料，氘 (D) 和氚 (T) 这两种氢同位素的混合物。D-T 被广泛认为是电力反应堆唯一明智的选择，因为它在比任何其他组合都低的温度（仅约 1 亿开尔文）下点燃，并且释放的能量更多。但是，80% 的能量以快速移动的中子的形式从反应中出现，这将对电力反应堆的壁造成严重破坏，使其具有高放射性。为了发电，必须利用中子的能量来加热传统蒸汽涡轮机中的水，这个过程的效率只有 30-40%。
成本、复杂性和进展缓慢也困扰着惯性约束核聚变，它是托卡马克磁约束最突出的替代方案。这种方法使用高功率激光束来内爆冷冻的燃料颗粒，也获得了大量的政府资金。但是，尽管在惯性约束方面进行了数十年的努力，但诸如加利福尼亚州利弗莫尔市劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施之类的项目仍在努力实现其核聚变发电的承诺（请参阅 Nature 491, 159; 2012）。
彻底的变革
这些担忧引发了对仿星器的兴趣：仿星器是一种环形装置，简化了托卡马克的某些方面，但需要更复杂的磁体。但是，大多数主流等离子体物理学家只是将实际工程问题留到以后再解决，并假设在等离子体物理问题解决后，会出现解决方法。核聚变特立独行者是少数认为需要更彻底的解决方案的人之一：首先通过设计一个电力公司可能真正想要购买的简单、廉价的反应堆来使工程正确，然后尝试使等离子体表现出预期行为。
这些初创公司之一是诺曼·罗斯托克，他是加利福尼亚大学尔湾分校的物理学家，他在 72 岁时于 1998 年共同创立了 Tri Alpha。他和他的同事提议放弃 D-T 燃料，转而将质子与硼-11 融合，硼-11 是一种稳定的同位素，约占天然硼的 80%。点燃这种 p-11B 燃料需要约 10 亿开尔文的温度，几乎是太阳核心温度的 100 倍。每次聚变事件产生的能量仅约为 D-T 释放能量的一半。但是，反应产物实际上没有麻烦的中子：聚变只会产生三个高能氦原子核，也称为 α 粒子。这些粒子带电，因此可以通过磁场引导到“逆回旋加速器”装置中，该装置将以约 90% 的效率将其能量转换为普通电流。
在托卡马克中燃烧 10 亿开尔文的 p-11B 等离子体是不可能的，至少是因为需要大得不切实际的磁场才能约束它。因此，罗斯托克和他的同事设计了一种线性反应堆，看起来像两个枪管对枪管的加农炮。每个加农炮都会发射被称为等离子团的等离子体环，这些等离子体环已知非常稳定：等离子体中离子的流动会产生磁场，而磁场又会保持等离子体受约束。“这是你能想象到的最理想的配置，”西雅图华盛顿大学的等离子体物理学家艾伦·霍夫曼说。
要启动反应堆，每个加农炮会将一个等离子团发射到中心腔室中，在那里两个等离子团会合并成一个更大的自由浮动等离子团，只要它可以获得额外的燃料供应，它就会存在。从反应中出现的 α 粒子将被另一个磁场引导回加农炮，并被能量转换器捕获。
当该团队在 1997 年发布这一概念时，越来越清楚地看到，美国能源部不会资助该机器的开发，而是倾向于专注于托卡马克，后者似乎是更安全的选择。“大型实验已经资助了几十年，因此它们几乎肯定会实现其里程碑，”华盛顿大学的等离子体物理学家约翰·斯洛说。“如果他们开始资助这些替代方案，所有不确定性都会再次出现。”
因此，罗斯托克和他的同事决定利用美国强大的高科技初创公司和风险投资融资文化。他们成立了一家公司，以 p-11B 反应的输出命名为 Tri Alpha，并继续筹集了足够的投资来雇用 100 多名员工。
迪安怀疑初创公司的思维方式可能解释了为什么 Tri Alpha 如此保密。“这是作为一家风险投资公司的神秘感的一部分：在其他人看到你的想法之前先开发它们，”他说。但在过去五年左右的时间里，该公司已开始允许其员工发表结果并在会议上展示。Tri Alpha 使用其当前的测试机器，一种名为 C-2 的 10 米设备，已经表明，碰撞的等离子团如预期般合并，并且只要注入燃料束，火球就可以持续长达 4 毫秒的时间，这在等离子体物理标准中是令人印象深刻的。去年，Tri Alpha 研究员侯阳国在德克萨斯州沃斯堡举行的等离子体会议上宣布，燃烧持续时间已增加到 5 毫秒。该公司目前正在寻找资金来建造一台更大的机器。
“作为一个科学项目，它非常成功，”霍夫曼说，当这位亿万富翁决定是否投资时，他审查了艾伦的工作。“但它不是 p-11B。”他说，到目前为止，Tri Alpha 仅使用氘运行其 C-2，而且它距离实现燃烧其最终燃料所需的极端等离子体条件还有很长的路要走。
Tri Alpha公司也没有展示过将α粒子直接转化为电能的技术。“我没有看到任何在实践中真正可行的方案，”麻省理工学院物理学家、前能源部门聚变能源顾问委员会主席马丁·格林沃尔德说。事实上，Tri Alpha公司计划其第一代发电反应堆将使用更传统的蒸汽涡轮机系统。其他聚变领域的创业者也将面临类似的挑战，但这并没有阻止他们前进的步伐。斯劳是位于华盛顿州雷德蒙德的Helion Energy公司的首席科学官，该公司正在开发一种线性碰撞束反应堆，该反应堆小到可以放在大型卡车的后部。Helion反应堆将从两侧向反应室发射稳定的等离子体团，燃料在其中被磁场挤压直到聚变开始。在一秒钟内，聚变产物被导走，与此同时下一对等离子体团飞速进入。“我们喜欢把它比作柴油发动机，”该公司首席执行官大卫·基特利说。“在每次冲程中，你注入燃料，用活塞压缩它，直到它无需火花就点燃，爆炸将活塞推回。”
Helion公司已经在一个D-D反应堆中演示了该概念，等离子体团每三分钟发射一次，现在该公司正在寻求未来五年内1500万美元的私人融资，以开发一台可以使用D-T燃料达到盈亏平衡点的全尺寸机器，即产生与运行所需能量一样多的能量。该公司希望其反应堆最终能够达到将氘与氦-3融合所需的更高温度条件，这是另一种只产生α粒子和质子，而不产生中子副产物的组合。
基特利对资金持乐观态度。“市场对低成本、安全、清洁的电力有巨大的需求，”他说。“因此，我们看到私人投资界正在大力推动资助替代发电方式。”基特利说，如果筹款成功，“我们的计划是在六年内让我们的试点发电厂上线。”
旋转中
其他替代概念仍然使用D-T燃料，但以不同的方式将其约束。在加拿大伯纳比，通用聚变公司的研究人员设计了一种反应堆，其中将D-T等离子体团注入到旋转的液态铅涡流中，然后通过一排活塞向内挤压。如果这种压缩在几微秒内发生，等离子体将内爆以产生聚变条件。通用聚变公司于2002年成立的米歇尔·拉贝格说，这种设计的一个优点是液态铅在受到中子轰击时不会降解。
通用聚变公司已经用一个小型设备演示了这个想法，该设备使用爆炸驱动的活塞，并从风险投资家和加拿大政府那里筹集了大约5000万美元。拉贝格说，如果该公司能够再赢得大约2500万美元，它将建造一个更强大的内爆系统，可以将等离子体压缩到聚变所需的水平——可能在未来两年内。
尽管如此乐观，迪恩估计，至少需要十年，甚至更长时间，任何一家替代聚变公司才能生产出可工作的发电厂。他说，有太多新技术需要展示。“我认为这些事情很有动力，应该得到支持——但我认为我们没有处于突破的边缘。”
在可预见的未来，美国能源部将提供多少支持尚不清楚。该部门的聚变能源计划为Helion公司以及一些关于替代反应堆的小规模学术工作提供了一定数量的资金。其长期的资助机构，高级研究项目署-能源，也对一些替代概念表示了兴趣，去年还为此举办了一次研讨会。聚变能源顾问委员会正在准备一份为期十年的研究计划，该计划将于明年年初完成，可能会为这些新兴企业带来更多支持。但资金紧张，ITER仍然是巨大的财政负担。
目前，大笔资金可能必须来自私营部门。尽管存在许多技术障碍，但投资者似乎愿意冒险一试。
斯劳说：“人们开始思考，‘嘿，也许还有其他方法可以做到这一点！’” “也许花几百万来找出答案是值得的。”
本文经许可转载，最初于2014年7月23日发表。