聚变能源的未来是什么？

去年 12 月，从事聚变研究的物理学家声称取得了一项突破。加利福尼亚州国家点火装置 (NIF) 的一个团队宣布，他们从受控核聚变反应中提取的能量超过了触发该反应所用的能量。这是全球首例，也是物理学上的一个重大进步，但这距离将聚变技术实际应用于能源还很遥远。这项备受瞩目的公告引发了人们对聚变研究的熟悉反应模式：技术推动者的赞扬和怀疑论者的否定，后者抱怨科学家不断承诺聚变将在 20 年后实现（或者 30 年或 50 年，随便你选）。

这些热烈的反应反映了聚变技术的高风险。世界越来越迫切地需要一种丰富的清洁能源，以缓解燃烧化石燃料造成的气候危机。核聚变——轻原子核的融合——有可能产生近零碳排放的能源，而不会产生当今核裂变反应堆相关的危险放射性废物，后者分裂放射性元素非常重的原子核。自 20 世纪 50 年代以来，物理学家一直在研究聚变能，但将其转化为实用的能源一直令人沮丧地难以实现。它是否会成为我们能源需求巨大的地球的重要能源来源？如果是，它能否及时到来以拯救地球免于崩溃？

后一个问题是该领域中为数不多的有明确答案的问题之一。大多数专家都认为，我们不太可能在 2050 年左右之前能够从核聚变中产生大规模能源（谨慎的人可能会再加十年）。鉴于本世纪全球气温上升可能主要取决于我们在那之前对碳排放所做（或未能做）的事情，聚变不可能成为救星。（《天文台》专栏作家内奥米·奥雷斯克斯也在此处提出了这一点。）“我确实认为，与 10 年前相比，聚变现在看起来更有可能成为未来的能源，”劳伦斯利弗莫尔国家实验室的项目负责人奥马尔·飓风说，NIF 就设在该实验室。“但它在未来 10 到 20 年内不可行，所以我们需要其他解决方案。”

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因此，到本世纪中叶实现脱碳将取决于其他技术：太阳能和风能等可再生能源；核裂变；以及可能的碳捕获技术。然而，当我们展望更远的未来时，我们有充分的理由认为聚变将成为本世纪后半叶能源经济的关键组成部分，届时更多发展中国家将开始需要西方规模的能源预算。而且，解决气候变化问题并非一蹴而就的事情。如果我们能够顺利度过未来几十年的瓶颈期，而不会对气候造成过于 радикально 的改变，那么未来的道路可能会更加平坦。

持久战

核聚变几乎在裂变被发现后不久就被认为是潜在的能源来源。在 1945 年末的曼哈顿计划情况汇报会议上，意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）设想了用于发电的聚变反应堆，他领导了二战期间在芝加哥建造第一座裂变反应堆的项目。几年后，科学家们弄清楚了如何释放聚变能，但仅限于不受控制的末日般的氢弹爆炸。一些科学家预测，一旦我们学会如何以受控和持续的方式进行该过程，电力将变得“便宜到无需计量”。

但事实证明，挑战比预期的要大得多。“这非常困难，”飓风说。“我们基本上是在地球上制造恒星。”两个氢原子聚变成氦是太阳和其他恒星获得能量的主要过程。当这种轻原子核结合时，它们会释放出巨大的能量。但由于这些原子核带有正电荷，它们会相互排斥，因此需要巨大的压力和温度才能克服静电势垒并使它们融合。如果科学家能够控制聚变燃料——氘和氚的等离子体混合物，这两种都是氢的重同位素——反应中释放的能量就可以使其自我维持。但是，如何将温度约为 1 亿开尔文（比太阳中心热数倍）的等离子体装入瓶子中呢？

没有已知的材料可以承受如此极端的条件；它们会在瞬间熔化即使是钨等极耐热金属。长期以来，反应堆设计中首选的答案是磁约束：将带电等离子体保持在由强磁场形成的“磁瓶”中，使其永远不会接触聚变室壁。最流行的设计称为托卡马克，由苏联科学家在 20 世纪 50 年代提出，它使用环形（或甜甜圈形）容器。

该过程需要精细的控制。极热的等离子体不会静止不动：它容易产生大的温度梯度，从而产生强烈的对流，使等离子体变得湍流且难以管理。这种不稳定性类似于微型太阳耀斑，会使等离子体与壁接触，从而损坏壁。其他等离子体不稳定性会产生高能电子束，在反应室包层上钻孔。抑制或控制这些波动一直是托卡马克设计者的主要挑战之一。“过去 10 年的最大成功是对湍流的定量细节的理解，”普林斯顿等离子体物理实验室主任史蒂文·考利说。

磁约束聚变的最大障碍之一是需要能够承受聚变等离子体严酷处理的材料。特别是，氘氚聚变会产生强烈的高能中子流，这些中子与金属壁和包层中的原子核碰撞，导致微小的熔化点。然后金属会再结晶，但会被削弱，原子会从其初始位置移位。在典型的聚变反应堆的包层中，每个原子在其反应堆的寿命内可能会被置换约 100 次。

如此强烈的中子轰击的后果尚不清楚，因为聚变从未持续运行过工作反应堆所需的长周期。“在运营发电厂之前，我们不知道，也不会知道材料的退化和寿命，”英国原子能管理局 (UKAEA) 首席执行官伊恩·查普曼说，UKAEA 是英国政府的核能组织。然而，从一个简单的实验中可能会获得对这些退化问题的重要见解，该实验产生强烈的可以用来测试材料的中子束。这样一个设施——一个基于粒子加速器的项目，称为国际聚变材料辐照设施–演示定向中子源——应该在 2030 年代初期在西班牙格拉纳达开始运行。美国也提出了一个类似的设施，称为聚变原型中子源，但尚未获得批准。

仍然无法保证这些材料问题能够得到解决。如果事实证明它们无法克服，一种替代方案是用液态金属制造反应堆壁，液态金属不会因熔化和再结晶而损坏。但是，考利说，这会带来一系列其他技术问题。

另一个主要挑战是制造聚变燃料。世界拥有丰富的氘：这种同位素占天然氢的 0.016%，因此海洋中实际上充满了氘。但是氚仅在自然界中少量形成，并且会放射性衰变，半衰期仅为 12 年，因此它不断消失并且必须重新生产。原则上，它可以从聚变反应中“增殖”出来，因为聚变中子会与锂反应生成氚。大多数反应堆设计都通过用锂包层围绕反应堆室来包含这种增殖过程。尽管如此，该技术在大规模应用中尚未得到验证，没有人真正知道氚的生产和提取是否以及如何有效运作。

庞大的机器

世界上最大的聚变项目 ITER（拉丁语意为“道路”，最初是“国际热核实验反应堆”的缩写）位于法国南部，将使用一个巨大的托卡马克，其等离子体半径为 6.2 米；整个机器重达 23,000 公吨。如果一切按计划进行，ITER——由欧盟、英国、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国支持——将成为第一个展示发电厂规模（约 500 兆瓦或 MW）的连续能量输出的聚变反应堆。建设始于 2007 年。最初的希望是在 2020 年左右在聚变室中产生等离子体，但 ITER 遭受了多次延误，而估计成本从 54.5 亿美元增加到四倍。今年 1 月，该项目的负责人宣布了进一步的挫折：原定于 2035 年开始运行可能会推迟到 2040 年代。ITER 不会产生商业电力——顾名思义，它严格来说是一台实验机器，旨在解决工程问题并为可行的发电厂铺平道路。

这种新的延误被一些人视为笨重的庞然大物，并且无法保证成功，这再次引发了对聚变技术的怀疑。但飓风说，出现这些问题是意料之中的。“ITER 经常受到批评，但我们需要给他们喘息的机会，让他们解决问题，”他说。

查普曼对此表示赞同。“在政治和技术上都会出现问题，这是非常可预测的，”他说。“该项目正在做令人惊奇的事情，包括建立以前不存在的供应链。”他承认，延误令人失望，“但我不认为我们会回顾 ITER 并认为这是一个错误。我们会认为它在聚变的起源中非常重要。我确信它会成功。”

发电厂的托卡马克可能不需要像 ITER 那样庞大，当然也不能像 ITER 那样昂贵。最近，人们对形状更小、更球形的设备越来越感兴趣，就像去核的苹果一样。其中之一，称为球形托卡马克能量生产 (STEP)，正由 UKAEA 规划为与 ITER 并行开发的试验工厂。

球形设计概念通过称为兆安培球形托卡马克 (MAST) 的设备成功进行了原理验证运行，该设备在 UKAEA 和欧洲原子能共同体 (Euratom) 的监督下于 1999 年至 2013 年运行。这些较小的机器具有更高的能量密度，因此热损坏的风险更高，尤其是在“排气”系统中提取热的乏燃料时。改进版——MAST 升级版——于 2020 年启动，其热量提取效率比原来提高了约 20 倍。“这确实为构思紧凑型发电厂开辟了道路，”查普曼说。

进入 STEP，其目标正是如此：一个生产净电力的原型工厂。它仍处于概念设计阶段，但英国政府已经采取行动为该项目制定定制法规——世界上第一个针对聚变的法规——消除了对传统核许可证的需求。领导者于去年 10 月选定了一个地点：英格兰北部的一个燃煤电厂，该电厂于 3 月停止运营，计划于 2024 年初拆除。该地点已经拥有冷却水供应以及与国家电网和铁路系统的连接。

欧盟正在规划自己的原型工厂，称为演示发电厂 (DEMO)，由 EUROfusion 联盟管理，旨在产生 200 至 500 兆瓦的电力。EUROfusion 项目经理托尼·唐内说，建设可能在 2040 年代初期开始。“我确信我们可以在 10 年内建造出这样的设备。”

唐内补充说，在韩国、日本和中国也有类似的“垫脚石”项目，旨在建设聚变电厂；美国制定了一个名为聚变核科学设施的较小设备的计划。“中国加入聚变研究的时间有点晚，但现在正在大力投资并迅速扩大其劳动力，”查普曼说。“它肯定正在赶上欧洲和美国已有的水平。”唐内认为，只要各国继续共享信息，一些友好的竞争——一种争夺第一个原型聚变电厂的“登月竞赛”——可能是有益的。

初创企业景象

这不仅仅是大型国家和国际项目的事情。小型球形托卡马克是使聚变技术触手可及的私营公司之一。世界各地涌现了数十家聚变初创公司，例如马萨诸塞州的 Commonwealth Fusion Systems (CFS)、加拿大的 General Fusion 和英国的 Tokamak Energy。

在 UKAEA 的支持下，General Fusion 刚刚开始建造一个示范工厂，该公司希望（雄心勃勃地）在 2025 年之前投入运行。根据该公司前首席执行官克里斯托弗·莫瑞的说法，它将成为“第一个与发电厂相关的大规模示范”。与此同时，CFS 与马萨诸塞理工学院等离子体科学与聚变中心 (PSFC) 及其他机构合作，正在建造一个名为 SPARC 的原型设备，也计划于 2025 年完成。SPARC 将是一个中型托卡马克，其中的等离子体由 M.I.T. 开发并在 2021 年发布的新的高温超导磁体产生的非常强的磁场紧密约束。这种磁体被誉为磁约束聚变技术的重要一步，因为等离子体中的功率密度随着磁场强度的升高而迅速增加。

SPARC 团队的目标是从等离子体中提取净能量（输出能量大约是输入能量的 10 倍），并产生 50 至 140 兆瓦的聚变功率。尽管 SPARC 比 ITER 小得多，但 PSFC 的主任丹尼斯·怀特表示，其任务与 ITER 相似：解决阻碍商业化的科学和技术问题。它不会向电网输送任何能量，但其目的是为 M.I.T. 开发并由 CFS 追求的“经济实惠、坚固耐用、紧凑型”聚变反应堆概念扫清道路，考利认为 CFS 是“迄今为止最具影响力的公司”。

考利欢迎这些项目，但告诫不要将它们视为使聚变成为现实能源的捷径。“我们看到这些初创公司带着极大的热情进入，他们的许多关注点都集中在问题的特定部分，”他说。其中一家公司在大型公司之前将聚变能商业化的可能性极低，而且许多公司将 просто 倒闭——就像一些初创公司总是做的那样。但查普曼认为，其他公司将成为有价值的专业知识和磁体等专用部件的供应商。“大多数小型聚变公司最终将成为供应链的一部分，”他说。

不同的设计

磁约束聚变装置不一定仅限于托卡马克。在 20 世纪 50 年代，天体物理学家莱曼·斯皮策认为，等离子体可以更有效地容纳在隧道壁扭曲的甜甜圈形腔室中。通过这种配置，该装置可以通过利用带电等离子体自身流动产生的磁场来保持等离子体约束。

这种设计（称为仿星器）的几何形状更复杂，难以工程化，但有一些项目正在追求它。一个值得注意的例子是德国格赖夫斯瓦尔德的 Wendelstein 7-X 仿星器，该仿星器于 2015 年完工，目前在经过三年的升级后再次运行。“仿星器有一些优势，但在技术上，它是一种更复杂的设备，”唐内说。“在欧洲，我们正在将仿星器作为托卡马克的备用方案。”该技术仍处于相对早期的阶段，因此，如果事实证明该备用方案是必不可少的，那么实用聚变的时间表可能会再次推迟。

NIF 的策略与所有这些项目完全不同。NIF 实验不是使用大量由磁场约束的等离子体，而是点燃少量氘和氚靶标。在这种情况下，聚变等离子体仅在实验通过突然挤压燃料并剧烈加热燃料来触发聚变后，才通过自身的惯性短暂地保持在原位——一种称为惯性约束聚变的方案。NIF 通过将非常强的激光束聚焦在颗粒状靶标上来产生这些极端条件。聚变能以短暂的脉冲形式释放，然后热等离子体膨胀。因此，这种能量生产将以脉冲形式发生，燃料舱必须不断地一个接一个地移动到反应室中进行点燃。大多数研究人员估计，为了使该方法切实可行，胶囊必须大约每秒更换 10 次。

惯性约束聚变的挑战是艰巨的，目前世界上只有少数几个设施正在研究它。除了最大的 NIF 外，还有法国的兆焦耳激光设施和中国的神光III激光设施；俄罗斯也可能正在追求这种方法，但细节很难确定。能源生产实际上并不是 NIF 任务的主要部分；该设施的主要目的是触发核反应，用于研究和维护美国核武器储备。“NIF 的主要工作完全由美国国家安全机构资助，”飓风说。“它不是聚变反应堆，也不意味着在任何实际意义上演示聚变能。”

要使惯性约束聚变真正成为能源供应的竞争者，还有更多工作要做。“这项工作一直侧重于基础科学，我们没有在发电厂所需的支持技术上投入那么多精力，”领导 NIF 惯性聚变能源计划的塔米·马说。

展望未来

鉴于聚变项目的多样化前景，实用的聚变能源到底有多接近？查普曼直言不讳地说：“今天没有一个正在进行的项目是旨在建造能够产生能源的聚变发电厂。”

真正的发电厂——不仅仅是原型——需要大约十年左右的时间才能建成。“实验正在取得进展，而且进展令人印象深刻，”查普曼说，“但聚变技术在几年内不会（作为大规模能源的来源）发挥作用。”唐内更加直言不讳：“任何告诉我他们将在五年或十年内拥有可用的未来反应堆的人，要么完全无知，要么是个骗子。”

预测聚变能源何时到来一直是一项冒险的业务，但专家们现在大多同意大致的时间表。“假设我们在 2030 年代末之前获得一个可行的试验工厂，尽管这将需要付出一些努力，”考利说。这样的工厂不太可能成为商业化的蓝图，因此，他说，“我认为从试验工厂到第一个商业反应堆还需要大约 10 年的另一个阶段。”查普曼也同意，聚变发电厂可能在 2050 年左右开始向电网供电，然后在本世纪后半叶，特别是 2060 年后，可能会在能源经济中变得越来越重要。

聚变发电厂的规模可能与今天的化石燃料或裂变发电厂大致相同，输出功率为几千兆瓦。这意味着它们可以建在相同的地点，以旧换新，并且所有必要的电网基础设施都已到位。“你可以说聚变非常容易接入，并且可以替代化石燃料或裂变，”唐内说。“这可能是一个非常平稳的过渡。”他预计聚变发电厂将首先取代仍在运行的燃煤电厂，然后是石油和天然气，最后是裂变。

即使聚变技术无法将我们从眼前的气候危机中拯救出来，但从长远来看，它可能是满足我们能源需求而又不破坏地球的最佳选择。苏联聚变梦想家、“托卡马克之父”列夫·阿尔齐莫维奇曾说过，当世界决定需要核聚变时，它就会拥有核聚变。“当我们意识到气候变化将作为一种生存威胁带来什么时，聚变的交付将大大加速，”查普曼说，他将此比作 COVID-19 疫苗的快速开发。目前，我们根本没有其他长期的实现净零碳排放的方法，特别是因为全球能源需求预计将在 2050 年至 2100 年间增加两倍。“聚变至关重要”，以满足这一需求，查普曼说。“我看不到还有什么其他选择。”唐内说，风能和太阳能等可再生能源肯定可以发挥作用，但它们不太可能足够。

从头开始建设一种新型能源基础设施既带来了机遇，也带来了挑战。核裂变规划者在设计和公共关系方面犯了一些严重的错误，但现在新兴的聚变产业有机会从这些错误中吸取教训并做得更好——尤其是在考虑能源公平和正义问题方面。“当我们拥有这些电厂时，我们将它们放置在哪里才能为所有类型的社区提供清洁能源？”NIF 的马问道。“我们如何建立一支多元化的劳动力队伍？我们如何确保在建设这个产业的同时，我们正在培训人们掌握未来的技能？我们至少可以尝试这次做对。”