“受控”核聚變最終會小步變成“現(xiàn)實”

美國麻省理工學(xué)院（MIT）技術(shù)評論月中發(fā)表理查德 馬?。≧ichard Martin）的文章[1]說，聚變發(fā)電研究的焦點已從政府重大科研項目轉(zhuǎn)向創(chuàng)業(yè)公司的新穎設(shè)計。

核聚變在三十年的政府資助、昂貴研究之后，沒有產(chǎn)生切實的突破，而是從有希望高效、無限電力來源變得更像個"廣告妙語"了。

然而，去年開始發(fā)生改變。幾個追求新穎的聚變堆設(shè)計、得到私下資助的公司和大學(xué)為基礎(chǔ)的小型研究團(tuán)體，發(fā)表了很有"前景"的成果，能把生產(chǎn)原型機(jī)的"時間表"從幾十年縮短到幾年。商業(yè)聚變發(fā)電仍然有很長的路要走，但這種反應(yīng)堆的輪廓現(xiàn)在可以"感知"了。

傳統(tǒng)的聚變研究集中于大型、環(huán)形機(jī)，稱為"托克馬克"。它運用強(qiáng)大的磁場壓縮高溫等離子體（即動蕩的帶電粒子）聚合形成氦，并在此過程中釋放出大量的能量。挑戰(zhàn)是約束高熱的等離子體并保持它穩(wěn)定?，F(xiàn)今的聚變堆如法國南部的國際熱核實驗堆（ITER）工程，使用巨大的電磁線圈，消耗的能量比機(jī)器實際生產(chǎn)的還多。ITER吸引科學(xué)家、從中國、歐盟、印度、俄羅斯、日本、韓國和美國籌集資金，預(yù)計成本幾十億美元，想在這個世紀(jì)30年代的某個時候建成一個工作的反應(yīng)堆?；蛟S有可能。

兩個最新的進(jìn)展，為生產(chǎn)能源的聚變堆提供了新的、更快的途徑，使聚變界很受"激勵"?；卦诩又菪∏鹉翀觯‵oothill Ranch）的三阿爾法能源公司（Tri Alpha Energy）八月初說，它成功地保持高能等離子體穩(wěn)定達(dá)五毫秒，比眨眼的時間還短，但按其首席技術(shù)官米希爾·本德鮑爾（Michl Binderbauer）的說法，在聚變反應(yīng)的尺度上，就是"半個世紀(jì)"了。

本德鮑爾說，三阿爾法公司把高能粒子加速器的原理，如大型強(qiáng)子對撞機(jī)用于聚變堆問題。尤其是該團(tuán)隊建造了個長23米的裝置，兩個等離子體"云"相互點火，形成一個等離子體環(huán)。約束環(huán)在一起的磁場靠等離子體自身生成，這種技術(shù)稱為"反場位形"（FRC）[2]。等離子體靠加速器注入高能粒子維持。

本德鮑爾說，三阿爾法的設(shè)計面對的挑戰(zhàn)是"足夠熱和足夠長"，即在足夠高的溫度下保持等離子體穩(wěn)定，以實現(xiàn)"獲得"能量的聚變。最近的實驗表明，這個公司--曾從投資人引來幾百萬美元的資助，包括高盛（Goldman Sachs）和伏爾甘（Vulcan）、微軟共同創(chuàng)辦人保羅 艾倫（Paul Allen）投資基金--已解決了"足夠長"的難題。使等離子體"足夠熱"是下一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。明年，三阿爾法公司將開始建造新的、更強(qiáng)大"版本"的實驗裝置，試驗更高溫下的過程。

在麻省理工學(xué)院（MIT）的等離子體科學(xué)與聚變中心，核科學(xué)工程教授、這個中心的主任丹尼斯 懷特（Dennis Whyte）為首的團(tuán)組和研究生布蘭登 索鮑（Brandon Sorbom），七月發(fā)表了名為ARC（買得起、強(qiáng)健、緊湊）機(jī)器的概念設(shè)計。這個新奇的ARC設(shè)計是電磁約束等離子體性質(zhì)的。使用最近開發(fā)的、靈活的稀土鋇銅氧化物制成的超導(dǎo)條帶，可以使ARC堆磁場的振幅高得多，因而使反應(yīng)堆設(shè)計尺寸比其他托克馬克機(jī)器小得多。研究人員還設(shè)想用液態(tài)"再生體"環(huán)繞等離子體，吸收中子避免損害，并用高效熱交換介質(zhì)發(fā)電。

增強(qiáng)環(huán)繞磁場的振幅，使等離子體內(nèi)產(chǎn)生的聚變功率上升四個數(shù)量級。這種提升引人注目。據(jù)懷特說，有可能在一年左右的時間制造一臺商業(yè)原型機(jī)。

"眾所周知，如果把磁場提到很高水平，就可制造非常緊湊的裝置，"他說，"但電磁鐵必須是銅的--超導(dǎo)與磁場不相容。"現(xiàn)在，先進(jìn)超導(dǎo)條帶的出現(xiàn)可使緊湊的反應(yīng)堆連續(xù)產(chǎn)生聚變。

發(fā)表在《聚變工程與設(shè)計》上的這篇ARC堆的論文[3]強(qiáng)調(diào)，目前它只是個概念設(shè)計。懷特希望吸引資助，在接下來的幾年內(nèi)建造一個實驗機(jī)。與此同時，一大批私營公司，不僅包括三阿爾法公司，而且還有基地在英國的托克馬克能源公司（Tokamak Energy）和基地在溫哥華的通用聚變公司（General Fusion），都在對相關(guān)但不同的設(shè)計進(jìn)行研究，以便使聚變進(jìn)入原型機(jī)階段[4]。

"我們越來越接近可行的機(jī)器"，通用聚變公司創(chuàng)始人、首席科學(xué)家米希爾·拉伯奇（Michel Laberge）說。"多年來，聚變研究是政府大型實驗室的領(lǐng)地，做了偉大的工作并確定了聚變可行的基礎(chǔ)。但沒有很大的緊迫感。"

現(xiàn)在，"緊迫感"增加，而且這些公司正在試驗新理念和新辦法，吸引投資這么做。通用聚變公司最近就擁有馬來西亞主權(quán)財富基金為首投資人團(tuán)體的2.7千萬美元新基金。

贏得1976年諾貝爾物理獎、三阿爾法公司顧問伯頓·里克特（Burton Richter）說，"現(xiàn)在發(fā)生的事情值得反思"。上個世紀(jì)90年代削減預(yù)算，強(qiáng)迫停止各種替代選擇方法，但I(xiàn)TER和美國能源部國家點火裝置除外。三阿爾法等公司嘗試不用納稅人的錢、而用私營部門的資金鋪設(shè)一條通向受控聚變的路--而這最終成了實際上取得某些成就的唯一道路。

普林斯頓等離子體物理實驗室等離子體物理學(xué)家喬納森 梅納德（Jonathan Menard）指導(dǎo)的國家球形花托試驗，正在追求用類似沙灘球形托克馬克替代環(huán)形面圈。梅納森最近完成了自己的9.4千萬美元升級的試驗機(jī)計劃，緊緊跟蹤三阿爾法和ARC成就的進(jìn)展，而且相信這些創(chuàng)新應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步跟蹤。

然而，有個謹(jǐn)慎的資深聚變科學(xué)家曾提出警告：不要"直到建成聚變堆，還不確信。"

注釋：

1. Richard Martin，F(xiàn)inally, Fusion Takes Small Steps Toward Reality，MIT Technology Review，September 14, 2015

2. FRC-field-reversed configuration

3. B.N. Sorbom, J. Ball, T.R. Palmer, F.J. Mangiarotti, J.M. Sierchio, P. Bonoli, C. Kasten, D.A. Sutherland, H.S. Barnard, C.B. Haakonsen, J. Goh, C. Sung, D.G. Whyte，ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets，F(xiàn)usion Engineering and Design，14 July 2015

4. Tyler Hamilton, A New Approach to Fusion, MIT Technology Review, July 31, 2009