讀書筆記：三阿爾法聚變發(fā)電研究的新“突破”

“三阿爾法聚變發(fā)電”，是氫和硼（燃料）核子在磁約束的等離子體內(nèi)碰撞聚合產(chǎn)生三個(gè)α粒子發(fā)電。不（或很少）產(chǎn)生中子，所以沒有（或很少）顯著的放射性產(chǎn)物；靠電磁，無需另外的傳熱介質(zhì)（蒸汽）旋轉(zhuǎn)汽輪機(jī)等設(shè)備，所以簡單；按投入的燃料質(zhì)量計(jì)，聚變釋放的能量與鈾－235裂變反應(yīng)相近；燃料幾乎是無限的，發(fā)電效率超過80％，致使電力成本比燃煤發(fā)電還低－－好得簡直令人“難以置信”。但所依據(jù)的B（p　α）αα反應(yīng)早在1936年就觀察、計(jì)算過了，現(xiàn)在是“頓悟”…

《科學(xué)》雜志新聞副編輯丹尼爾·克利里（Daniel Clery）8月24日從美國加州福特希爾牧場發(fā)回報(bào)道［1］：在洛杉磯南部郊外工業(yè)園區(qū)內(nèi)，科學(xué)家的受控核聚變在提供豐富、便宜而清潔能源的進(jìn)程中前進(jìn)了一大步。一個(gè)得到私人資助、名為三阿爾法能源（Tri Alpha Energy）的公司建造的機(jī)器，構(gòu)建的約1000萬℃的超熱氣球，持續(xù)穩(wěn)定5毫秒沒有衰減。似乎只是眨眼之間，但比用這種技術(shù)的其他研究“成就”長很多；而且首次展示有可能使氣體保持穩(wěn)態(tài)，只因當(dāng)時(shí)用光了“燃料”，研究人員才關(guān)機(jī)。

76年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者、加州帕洛阿爾托市斯坦福大學(xué)粒子物理學(xué)家、三阿爾法能源公司顧問委員會(huì)成員伯頓　里克特（Burton Richter）說，“他們僅僅借助可用的電力系統(tǒng)，終于在實(shí)現(xiàn)有限一生的目標(biāo)中獲得成功。”如果這個(gè)公司的科學(xué)家能按比例放大這種技術(shù)到更長時(shí)間和更高溫度，他們就能上一個(gè)臺(tái)階，使氣體內(nèi)的原子核碰撞激烈到足以熔合在一起，釋放出能量超過系統(tǒng)輸入的能量。

競爭對手、圣地亞哥聚變創(chuàng)業(yè)能源／物質(zhì)轉(zhuǎn)化公司的潔蓉 帕克（Jaeyoung Park）說，“除非學(xué)會(huì)控制并馴服這種［熱氣體］，否則不會(huì)有什么成效。在這方面，它是個(gè)大難題。他們似乎找到了馴服它的辦法”。“下個(gè)問題是如何才能適當(dāng)?shù)丶s束［氣體的熱］。我給他們‘疑罪從無’的判斷［2］。我想看他們未來2－3年。”

雖然其他創(chuàng)業(yè)公司也嘗試?yán)妙愃频姆椒▽?shí)現(xiàn)“受控聚變”，在這個(gè)領(lǐng)域最重要的成就是政府資助的大型工程，如靠國際合作、在法國南部在建的200億美元的國際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）和美國能源部在加州利弗莫爾的40億美元的國家點(diǎn)火裝置（NIF）。但是，這種項(xiàng)目的成本快速增長，復(fù)雜性引起許多懷疑。它們永遠(yuǎn)不會(huì)成為“成本負(fù)擔(dān)得起”的電廠。

三阿爾法和類似公司的成就采取了不同的路徑，承諾能更快地開發(fā)出更簡單、更便宜的機(jī)器。重要的是，與大多數(shù)另外的聚變堆相比，三阿爾法的機(jī)器或許能用不同的燃料運(yùn)行。這種燃料－－氫和硼的混合物－－更難起反應(yīng)。但三阿爾法的研究人員說，它避開了許多常規(guī)聚變電廠很可能面對的問題?？的螤柎髮W(xué)等離子體物理學(xué)家、三阿爾法公司顧問大衛(wèi)　哈默（David Hammer）說，“他們?nèi)〉玫倪M(jìn)展使人們相信，他們能使［氫－硼］反應(yīng)堆成功地運(yùn)轉(zhuǎn)”。

但是，沒有參與這個(gè)項(xiàng)目的新澤西州普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室等離子體物理學(xué)家喬恩　梅納德（Jon Menard）說，燃燒氫－硼燃料要求真正的“極高溫”，超過30億℃，而且“極具挑戰(zhàn)性”。他說，很難預(yù)測在更高的溫度下，氣體會(huì)有怎樣的行為表現(xiàn)。“我有點(diǎn)擔(dān)心他們的［模擬實(shí)驗(yàn)］落后于他們的經(jīng)驗(yàn)”，但這種方法“值得進(jìn)一步調(diào)查研究。”

與其他聚變技術(shù)類似，三阿爾法的裝置擬約束的氣體如此之熱，其原子的電子被剝離，生成一股洶涌的電子和離子混合物急流，名為等離子體。如果離子以足夠的力量相碰撞，它們聚合，某些質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。但用常規(guī)燃料，至少需要1億℃的溫度，熱到足以熔化任何容器。所以反應(yīng)堆設(shè)計(jì)師的第一個(gè)挑戰(zhàn)是如何約束等離子體，不與容器接觸。像NIF之類等離子體快速內(nèi)爆的裝置，依靠其內(nèi)向慣性約束時(shí)間長到足夠引起一陣聚變反應(yīng)。與此相反，ITER用名為“托克馬克”的環(huán)形室內(nèi)強(qiáng)大的磁場控制等離子體穩(wěn)定。某些磁場靠復(fù)雜的超導(dǎo)磁體網(wǎng)絡(luò)，剩余部分靠類似電流繞環(huán)形磁場流動(dòng)的等離子體本身。

三阿爾法的機(jī)器也生成等離子體環(huán)狀真空腔（類似“煙圈”），但腔內(nèi)的等離子體粒子流生成的磁場使等離子體保持穩(wěn)定。這種方法稱為“場反位形”（FRC，field－reversed configuration）［3］，上個(gè)世紀(jì)60年代已熟知。然而，盡管做了幾十年的工作，研究人員獲得等離子體氣泡破碎或熔化前大約只維持0.3毫秒。1997年，加拿大出生、加州大學(xué)歐文分校物理學(xué)家諾曼·羅斯托克（Norman Rostoker）和同事們提出了新方法。第二年他們設(shè)立了三阿爾法公司，現(xiàn)立足這兒一個(gè)平常而且沒有標(biāo)識(shí)的工業(yè)單位內(nèi)。從桌面設(shè)備裝配起，到去年，這個(gè)公司雇用150人，用C－2做研究。這是個(gè)23米長磁鐵環(huán)繞的真空管，布滿控制裝置、診斷儀器和粒子束發(fā)生器。這個(gè)機(jī)器在兩端生成煙圈似的等離子體環(huán)，靠專有的方法使每個(gè)煙圈首尾相接，并以接近每小時(shí)一百萬公里的速度在靠近中部相撞擊。在中心，它們?nèi)诤铣筛蟮腇RC，使它們的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱。

原先建立持久FRC的嘗試受到兩個(gè)孿生“魔障”的困擾，折磨著所有聚變堆的設(shè)計(jì)師。首先是等離子體內(nèi)的湍流使熱粒子抵達(dá)邊緣，因而導(dǎo)致“熱逃逸”。其次是不穩(wěn)定：事實(shí)在于熱等離子體不喜歡受約束，因而扭動(dòng)、膨脹，試圖獲得“自由”，最終完全破碎。理論家羅斯托克曾在許多物理分支機(jī)構(gòu)做研究，包括粒子物理，他相信解決方案潛藏在高速粒子點(diǎn)火切線進(jìn)入等離子體的邊緣處。相對于“原生粒子”，快速運(yùn)動(dòng)的進(jìn)入粒子會(huì)沿著等離子體磁場內(nèi)更寬的軌道運(yùn)動(dòng)。這種寬軌道將充當(dāng)保護(hù)“殼”，使等離子體變“硬”，防止熱泄漏擾動(dòng)和不穩(wěn)定。

為使機(jī)器正常工作，三阿爾法團(tuán)隊(duì)需要精確控制長3米、寬40厘米的雪茄型FRC邊緣的磁性條件。他們借助長管兩端的電極和磁體生成磁場反射等離子體，達(dá)到了目的。

在去年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，C－2展示物理學(xué)家羅斯托克的“路子”走對了，生成的FRC持續(xù)了5毫秒，比早先實(shí)現(xiàn)的“持續(xù)時(shí)間”長10倍多。哈默說，“8年內(nèi)，他們從一個(gè)空房間到一個(gè)FRC持續(xù)5毫秒。這是相當(dāng)不錯(cuò)的進(jìn)步”。但是，這個(gè)FRC仍然在這段時(shí)間衰減了。研究人員需要展示他們能用粒子束補(bǔ)充熱損失，并建立穩(wěn)定的FRC。因此，去年秋天，他們拆掉了C－2裝置。他們與俄羅斯新西伯利亞的布德克爾（Budker）核物理研究所合作［4］，更新了粒子束注入系統(tǒng)，功率從2MW提升到10MW，調(diào)整了粒子束的注入角度，以便更好地利用它們的電源。

今年三月，升級(jí)的C－2U再投入運(yùn)行。8月24日紀(jì)念羅斯托克（去年12月去世）座談會(huì)上，三阿爾法首席技術(shù)官米希爾·本德鮑爾（Michl Binderbauer）宣布，6月新機(jī)器生成的FRC持續(xù)5毫秒，沒有衰減的跡象；從始至終保持同樣的尺寸。

本德鮑爾說，明年他們將再次拆掉C－2U再建造一個(gè)幾乎全新的機(jī)器。更大，甚至有更強(qiáng)的粒子束，稱為C－2W。目的是實(shí)現(xiàn)更長的FRC，更重要的是溫度更高。溫度上升10倍將會(huì)把他們帶入常規(guī)聚變?nèi)剂霞礆渫凰仉碗盎旌衔锉环Q為D－T點(diǎn)火的領(lǐng)域。但那不是他們的目標(biāo)；取而代之，他們正在研究氫－硼聚變更高的限制，要求離子溫度達(dá)30億℃以上。

研究人員有各種理由想要走完“額外一英公里”。首先是地球上氚不會(huì)自然出現(xiàn)，必須用中子轟擊鋰產(chǎn)生。物理學(xué)家計(jì)劃在聚變堆內(nèi)生產(chǎn)每天要消耗的氚，但沒有人證明這樣的過程是否切實(shí)可行。因?yàn)镈－T反應(yīng)還產(chǎn)生大量高能中子，這樣反應(yīng)堆需要很厚的屏蔽。但中子仍然使反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)退化，使之成為放射性的。研究人員還不知是否有可能找到抗輻射材料，能在中子轟擊下幸存。許多人認(rèn)為這使D－T聚變對商用堆不切實(shí)際。里克特博士說，“如果要研究D－T系統(tǒng)，我不會(huì)在［三阿爾法顧問］委員會(huì)里耗費(fèi)10年。”

最初并不認(rèn)為氫－硼聚變有多大“前景”。本德鮑爾說，“這要花費(fèi)30倍的能源進(jìn)行烹調(diào)，而且每個(gè)粒子只得到一半的能量。”但硼很豐富，而且這個(gè)反應(yīng)不產(chǎn)生中子，只有三個(gè)阿爾法（氦核）－－后來成了公司的名字。里克特博士說，氫－硼燃料“使電力轉(zhuǎn)化更容易、更簡單”。

公司有個(gè)投資人（不愿透露姓名）說，“從我們開始投資以來，第一次有這樣的突破性的進(jìn)展，使人感覺好像這個(gè)石頭正開始滾下坡，而不是在往上推。”

在美國，正在研究、追求“無中子聚變”而且小有“名氣”的創(chuàng)業(yè)公司，是新澤西州的勞倫斯維爾等離子體物理公司（LLP）［5］。據(jù)稱它所采用的“聚焦聚變”（Focus Fusion）技術(shù)，部分愿景是個(gè)小型、車庫大小的5MW的聚變裝置，可給“街坊鄰居”們供電。目前的成就是：“無中子聚變”凈能量生產(chǎn)“三準(zhǔn)則”（受控等離子體溫度、約束時(shí)間和密度的乘積）中已實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)（等離子體的溫度18億℃，約束時(shí)間幾十納秒）。LPP首席科學(xué)家埃里克 勒納（Eric Lerner）說，“我們在微小熱區(qū)內(nèi)獲得凈能量足夠的（等離子體）密度”方面，差距仍然很大。即使達(dá)到足夠的等離子體密度后，商業(yè)聚變還需要～4年時(shí)間…

理論很“豐滿”，但現(xiàn)實(shí)有點(diǎn)“骨感”。實(shí)現(xiàn)三個(gè)α粒子聚變發(fā)電，似乎還有很長（10年？）的“路”要走。但中國和世界的等離子物理與受控?zé)岷朔磻?yīng)研究領(lǐng)域的科學(xué)家正在努力，或許不需要那么長的時(shí)間就會(huì)有驕人的成就。讓我們“拭目以待”。

附注：

1。 Daniel Clery，Exclusive：　Secretive fusion company claims reactor breakthrough，Science／AAAS，24 August 2015

2。“the benefit of the doubt”，公文（法律）用語，或譯作“無罪推定”。

3。 FRC，field－reversed configuration，詳見M。 W。 Binderbauer et al，　A high performance field－reversed configuration，PHYSICS OF PLASMAS 22，056110（2015），published online 15 May 2015

4。 Budker Institute of Nuclear Physics（BINP），is one of the major centres of advanced study of nuclear physics in Russia。 the centre was not involved either with military atomic science or nuclear reactors－instead，its concentration was on high－energy physics（particularly plasma physics）and particle physics。 In 1961 the institute began building VEP－1，the first particle accelerator in the Soviet Union which collided two beams of particles，　just a few month after the ADA collider became operational at the Frascati National Laboratories in Italy in February 1961。 The BINP now employs over 3000 people，　and hosts several research groups and facilities。

5。 Mark Halper，F(xiàn)usion breakthrough，ZD Net，March 28，2012