沒有任何已知材料能承受如此極端的條件，即使是極耐熱的金屬（如鎢）也會在瞬間被融化。長期以來，反應(yīng)堆設(shè)計(jì)最青睞的解決方案是磁約束：將帶電等離子體保存在由強(qiáng)磁場形成的“磁瓶”中，這樣它就永遠(yuǎn)不會接觸聚變室的墻壁。最流行的設(shè)計(jì)被稱為托卡馬克（Tokamak），由蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)50年代提出，它使用環(huán)形容器。

圖3：托卡馬克反應(yīng)堆的基本設(shè)計(jì)

這個(gè)過程需要精細(xì)的控制。熾熱的等離子體不會靜止不動(dòng)，它往往會產(chǎn)生很大的溫度梯度，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的對流，使等離子體變得動(dòng)蕩不安，難以控制。這種不穩(wěn)定性，類似于微型太陽耀斑，可以使等離子體接觸到墻壁，從而破壞它們。

其他等離子體的不穩(wěn)定性可以產(chǎn)生高能電子束，在反應(yīng)室的包層上穿孔。抑制或控制這些波動(dòng)始終是托卡馬克核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者面臨的主要挑戰(zhàn)之一。普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室主任史蒂文·考利(Steven Cowley)說：“過去10年之所以能取得巨大成功，主要是因?yàn)閷@種湍流進(jìn)行了詳細(xì)的定量研究。”

磁約束核聚變的最大障礙之一是，需要能夠承受來自聚變等離子體、經(jīng)過嚴(yán)格處理的材料。特別是，氘-氚可控核聚變會產(chǎn)生強(qiáng)烈的高能中子流，這些中子與金屬壁和包層中的原子核碰撞，造成微小的熔化點(diǎn)。然后金屬再結(jié)晶，但被削弱，原子從它們的初始位置移動(dòng)。在一個(gè)典型可控核聚變反應(yīng)堆的包層中，每個(gè)原子在反應(yīng)堆的生命周期內(nèi)可能會移位大約100次。

圖4：等離子體在國家點(diǎn)火裝置(NIF)的靶室內(nèi)流動(dòng)

如此強(qiáng)烈的中子轟擊產(chǎn)生的后果目前尚不清楚，因?yàn)榫圩儚奈聪襁\(yùn)行中的反應(yīng)堆所需的那樣持續(xù)很長時(shí)間。英國原子能機(jī)構(gòu)(UKAEA)的首席執(zhí)行官伊恩·查普曼（Ian Chapman）說：“在運(yùn)營核電站之前，我們不知道也不會知道材料的降解和壽命信息?！?/p>

然而，對這些退化問題的重要見解可能會從一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)中收集到。這個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的中子束，可以用來測試材料。這樣的設(shè)施主要基于粒子加速器項(xiàng)目，被稱為國際聚變材料輻照設(shè)施，用于示范導(dǎo)向中子源，將于本世紀(jì)30年代初在西班牙格拉納達(dá)開始運(yùn)行。美國也有意建設(shè)類似的設(shè)施，稱為聚變原型中子源，但尚未獲得批準(zhǔn)。

目前還不能保證這些材料問題能得到解決。如果它們被證明是無法克服的，一個(gè)替代方案是用液態(tài)金屬制造反應(yīng)堆壁，液態(tài)金屬不會被熔化和再結(jié)晶破壞。但普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室主任考利說，這會帶來一系列其他技術(shù)問題。

另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是制造可控核聚變?nèi)剂?。地球上有豐富的氘，這種同位素占天然氫的0.016%，所以海洋里確實(shí)充滿了氘。但是氚自然形成的數(shù)量很少，而且它的半衰期只有12年，因此它會不斷消失，必須重新生產(chǎn)。原則上，它可以從可控核聚變反應(yīng)中“孕育”出來，因?yàn)榫圩冎凶訒c鋰反應(yīng)生成它。大多數(shù)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)都包含了這個(gè)孕育過程，方法是在反應(yīng)堆室周圍包裹一層鋰。盡管如此，這項(xiàng)技術(shù)還沒有得到大規(guī)模的驗(yàn)證，沒有人真正知道氚的生產(chǎn)和提取是否有效，或者效果如何。

02 打造可控核聚變電廠原型展開“月球競賽”

世界上最大的可控核聚變項(xiàng)目位于法國南部的ITER(拉丁語意為“道路”，最初是“國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”的首字母縮寫)，它使用等離子體半徑為6.2米的大型托卡馬克，整個(gè)機(jī)器將重達(dá)2.3萬噸。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，在歐盟、英國、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國等國支持下，ITER將成為第一個(gè)以發(fā)電廠規(guī)模(約500兆瓦)展示持續(xù)電力輸出的核聚變反應(yīng)堆。

ITER的建設(shè)從2007年開始，最初的希望是在2020年左右在聚變室中產(chǎn)生等離子體，但I(xiàn)TER遭受了多次延誤，而估計(jì)的54.5億美元成本已經(jīng)翻了兩番。今年1月，該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人宣布遭遇了新挫折：計(jì)劃于2035年開始運(yùn)營的項(xiàng)目可能會推遲到2040年左右。ITER不會產(chǎn)生商業(yè)電力，正如它的名字所說，它是一個(gè)嚴(yán)格意義上的實(shí)驗(yàn)機(jī)器，旨在解決工程問題，并為可行的發(fā)電廠鋪平道路。

有些人認(rèn)為這是一個(gè)笨重的龐然大物，沒有成功的可能，這種新的阻礙引發(fā)了另一輪對可控核聚變的懷疑。但哈瑞肯說，這樣的問題是意料之中的。他說：“ITER受到了很多打擊，但我們需要給它們一個(gè)喘息的機(jī)會，讓他們解決問題。”

查普曼表示同意。他說：“可以預(yù)見，在政治上和技術(shù)上都會出現(xiàn)問題。這個(gè)項(xiàng)目正在做令人驚嘆的事情，包括建立以前不存在的供應(yīng)鏈?！彼姓J(rèn)，延遲令人感到失望，“但我不認(rèn)為我們會在回顧ITER時(shí)認(rèn)為這是一個(gè)錯(cuò)誤。我們會認(rèn)為它在可控核聚變的起源中非常重要。我相信這是可行的?！?/p>

用于發(fā)電的托卡馬克核反應(yīng)堆可能不需要像ITER那樣龐大，當(dāng)然也不可能像ITER那樣昂貴。最近，人們對更小的球形裝置越來越感興趣，其中一個(gè)被稱為球形托卡馬克能源生產(chǎn)(STEP)，英國原子能機(jī)構(gòu)UKAEA計(jì)劃將其作為一個(gè)與ITER并行開發(fā)的試點(diǎn)電廠。

圖5：STEP和ITER反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和規(guī)模

球形設(shè)計(jì)概念已經(jīng)通過名為Mega Amere的球形托卡馬克設(shè)備進(jìn)行了原理驗(yàn)證。該裝置于1999年至2013年期間運(yùn)行，由UKAEA和歐洲原子能共同體共同監(jiān)督。這些較小的機(jī)器具有更高的能量密度，因此熱損壞的風(fēng)險(xiǎn)也更大，特別是從“排氣”系統(tǒng)中提取熱乏燃料。一個(gè)改進(jìn)的版本MAST Upgrade于2020年啟動(dòng)，并且能夠比原始版本高效地提取熱量約20倍。查普曼說：“這確實(shí)為構(gòu)思緊湊型發(fā)電廠開辟了道路?！?/p>

STEP的目標(biāo)是打造生產(chǎn)凈電力的原型電廠。它仍處于概念設(shè)計(jì)階段，但英國政府已經(jīng)開始為該項(xiàng)目制定監(jiān)管規(guī)定，這是世界上第一個(gè)可控核聚變項(xiàng)目，從而消除了對傳統(tǒng)核許可的需要。去年10月，各國領(lǐng)導(dǎo)人選定了英格蘭北部的一個(gè)燃煤發(fā)電站，該電站已經(jīng)于今年3月停止運(yùn)營，計(jì)劃于2024年初拆除。該基地已經(jīng)有了冷卻水供應(yīng)，并與國家電網(wǎng)和鐵路系統(tǒng)相連。

圖6：在國際熱核實(shí)驗(yàn)堆(ITER)現(xiàn)場，一個(gè)極向場線圈正在接受測試，其中六個(gè)環(huán)形磁鐵將在實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)等離子體

歐盟正在規(guī)劃自己的原型核聚變電廠，稱為示范核電廠(DEMO)，由歐洲聚變聯(lián)盟（EUROFusion）管理，目標(biāo)是產(chǎn)生200兆瓦到500兆瓦的電力。歐洲可控核聚變項(xiàng)目經(jīng)理托尼·唐納(Tony Donné)表示，該項(xiàng)目可能會在21世紀(jì)40年代初開始建設(shè)，“我相信我們可以在10年內(nèi)制造出這樣的設(shè)備”。

唐納補(bǔ)充說，韓國、日本和中國也有類似的可控核聚變電廠“墊腳石”項(xiàng)目，美國計(jì)劃建造一個(gè)更小的裝置，稱為聚變核科學(xué)設(shè)施。查普曼稱：“中國參與得有點(diǎn)晚，但現(xiàn)在正在大舉投資，并迅速擴(kuò)大研發(fā)隊(duì)伍。它肯定在追趕歐洲和美國?！碧萍{認(rèn)為，只要各國繼續(xù)分享信息，為打造可控核聚變電廠原型而進(jìn)行的“月球競賽”可能是有益的。

03 初創(chuàng)企業(yè)大量涌現(xiàn)，供應(yīng)鏈逐步完善

可控核聚變也并不全是大型的國家和國際項(xiàng)目，小型球形托卡馬克裝置是將可控核聚變帶入私營公司手中的技術(shù)之一。幾十家可控核聚變初創(chuàng)企業(yè)在世界各地如雨后春筍般涌現(xiàn)，比如美國馬薩諸塞州的聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司(CFS)、加拿大的通用聚變公司（General Fusion）和英國的托卡馬克能源公司等。

在英國原子能機(jī)構(gòu)的支持下，通用聚變公司剛剛開始建造示范電廠，希望到2025年投入運(yùn)行。根據(jù)該公司前首席執(zhí)行官克里斯托弗·莫里（Christofer Mowry）的說法，這將是“第一次與發(fā)電廠相關(guān)的大規(guī)?？煽睾司圩冄菔尽?。

與此同時(shí)，CFS與麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心(PSFC)和其他機(jī)構(gòu)合作，正在建造名為SPARC的原型設(shè)備，也計(jì)劃在2025年完成。SPARC將是一個(gè)中型托卡馬克裝置，其中等離子體被麻省理工學(xué)院開發(fā)并于2021年推出的新型高溫超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場緊密限制。這種磁鐵被譽(yù)為磁約束聚變的重要一步，因?yàn)榈入x子體中的功率密度會隨著磁場強(qiáng)度的增加而迅速增加。

SPARC團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是從等離子體中提取凈能量(輸出能量大約是輸入能量的10倍)，并產(chǎn)生50兆瓦到140兆瓦的聚變能量。盡管SPARC比ITER規(guī)模小得多，但PSFC的主任丹尼斯·懷特(Dennis Whyte)說，它們的使命是相似的，即解決阻礙可控核聚變商業(yè)化的科學(xué)和技術(shù)問題。它不會向電網(wǎng)輸送任何電力，但其目的是為麻省理工學(xué)院開發(fā)的、由CFS(考利認(rèn)為迄今為止“最具影響力的公司”)推行的“負(fù)擔(dān)得起、堅(jiān)固、緊湊”的聚變反應(yīng)堆概念掃清道路。

考利對這樣的項(xiàng)目表示歡迎，但他警告說，不要把它們視為使可控核聚變成為現(xiàn)實(shí)能源的捷徑。他表示：“我們看到這些初創(chuàng)公司熱情高漲，其中很多公司的注意力都集中在問題的某個(gè)特定部分。”任何一家都不太可能在巨頭之前將可控核聚變能源技術(shù)商業(yè)化，而且許多公司可能會中途放棄。但查普曼認(rèn)為，其他公司將成為有價(jià)值的專業(yè)技術(shù)和專門部件(如磁鐵)的供應(yīng)商，“大多數(shù)小型可控核聚變公司最終將成為供應(yīng)鏈的一部分”。

04 不同的設(shè)計(jì)

磁約束核聚變的裝置并不一定局限于托卡馬克。在20世紀(jì)50年代，天體物理學(xué)家萊曼·斯皮策(Lyman Spitzer)認(rèn)為，在具有扭曲隧道壁的環(huán)形腔中，等離子體可能更有效地被容納。有了這種配置，該設(shè)備可以利用帶電等離子體本身流動(dòng)產(chǎn)生的磁場來約束等離子體。

圖7：仿星器反應(yīng)堆的基本設(shè)計(jì)

這種設(shè)計(jì)更復(fù)雜的幾何形狀被稱為仿星器（Stellarator），在工程上很棘手，但有幾個(gè)項(xiàng)目正試圖完善它。一個(gè)值得注意的例子是德國Greifswald的Wendelstein 7-X仿星器，它于2015年完工，經(jīng)過三年的升級后，現(xiàn)在再次運(yùn)行。

歐洲核聚變項(xiàng)目經(jīng)理托尼·唐納稱：“仿星器有很多優(yōu)勢，但從技術(shù)上講，它是更復(fù)雜的設(shè)備。在歐洲，我們正在研究仿星器，作為托卡馬克的后備。”這項(xiàng)技術(shù)仍處于相對早期的階段，因此，如果這種備份被證明是必不可少的，那么實(shí)際可控核聚變的時(shí)間表可能會再次推遲。

國家點(diǎn)火裝置實(shí)驗(yàn)室（NIF）的策略與所有這些項(xiàng)目完全不同。NIF實(shí)驗(yàn)沒有使用受磁場限制的大量等離子體，而是點(diǎn)燃了氘和氚。在這種情況下，實(shí)驗(yàn)通過突然擠壓燃料并對其進(jìn)行強(qiáng)烈加熱來觸發(fā)可控核聚變之后，正在聚變的等離子體只能靠自身的慣性短暫地保持在原地。這一方案被稱為慣性約束核聚變。

NIF通過將非常強(qiáng)的激光束聚焦在丸狀目標(biāo)上產(chǎn)生這些極端條件。在熱等離子體膨脹之前，聚變能會在短暫的爆發(fā)中釋放出來。因此，這種能量生產(chǎn)將以脈沖方式進(jìn)行，燃料膠囊必須不斷地一個(gè)接一個(gè)地移動(dòng)到反應(yīng)室中進(jìn)行點(diǎn)燃。大多數(shù)研究人員估計(jì)，要使這種方法成為現(xiàn)實(shí)，膠囊必須每秒更換10次左右。

圖8：NIF實(shí)驗(yàn)中慣性約束核聚變靶的設(shè)計(jì)和尺寸

慣性約束核聚變的挑戰(zhàn)是艱巨的，目前世界上只有少數(shù)幾個(gè)設(shè)施在研究它。除了最大的NIF，還有法國的Megajoule Laser設(shè)施和中國的神光三號激光設(shè)施，俄羅斯也可能采取這種方式，但細(xì)節(jié)很難確定。發(fā)電實(shí)際上并不是NIF任務(wù)的主要部分，該設(shè)施主要是為了引發(fā)核反應(yīng)，以研究和維護(hù)美國的核武器儲備。哈瑞肯說：“NIF的主要工作完全是由美國國家安全機(jī)構(gòu)資助的，這不是一個(gè)核聚變反應(yīng)堆，也不是為了展示任何實(shí)際意義的核聚變能量?！?/p>

要使慣性約束核聚變成為供應(yīng)能量的真正競爭者，還有很多工作要做。NIF慣性核聚變能源項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人塔米·馬（Tammy Ma）說：“這項(xiàng)工作的重點(diǎn)主要集中在基礎(chǔ)科學(xué)上，我們還沒有在發(fā)電廠所需的支持技術(shù)上投入那么多的精力。”

05核聚變發(fā)電廠還要十年建成？

考慮到可控核聚變項(xiàng)目的多樣性，真正能夠投入使用的可控核聚變能到底離我們有多遠(yuǎn)？查普曼直言不諱地說：“目前還沒有任何正在進(jìn)行的項(xiàng)目是建造能夠產(chǎn)生能源的核聚變發(fā)電廠。”

而真正的核聚變發(fā)電廠（不只是原型）可能需要十年左右的時(shí)間才能建成。查普曼說：“實(shí)驗(yàn)正在取得進(jìn)展，而且進(jìn)展令人印象深刻。但可控核聚變至少在幾年內(nèi)還無法作為主要能源使用?！碧萍{更加直言不諱：“如果有人告訴我，他們在未來5年或10年內(nèi)會建成可投入運(yùn)行的可控核聚變反應(yīng)堆，那他們要么完全無知，要么就是騙子?！?/p>

預(yù)測可控核聚變能何時(shí)到來始終都很難，但現(xiàn)在專家們大多同意大致的時(shí)間表?？祭f：“假設(shè)我們在21世紀(jì)30年代末建成一個(gè)試點(diǎn)核聚變電廠，盡管這可能會有一些進(jìn)展，但這樣的電廠不太可能成為商業(yè)化的藍(lán)圖。因此，我認(rèn)為從一個(gè)試點(diǎn)電廠到第一個(gè)商業(yè)反應(yīng)堆還需要大約10年的時(shí)間。”查普曼也認(rèn)為，到2050年左右，可控核聚變發(fā)電廠可能會向電網(wǎng)供電，然后在本世紀(jì)下半葉，尤其是2060年后，對能源經(jīng)濟(jì)的重要性將穩(wěn)步提高。

可控核聚變發(fā)電廠的規(guī)模可能與今天的化石燃料或核裂變發(fā)電廠差不多，但輸出的電量將達(dá)到幾千億瓦。這意味著，它們可以在相同的地點(diǎn)建造，以可控核聚變?nèi)〈肆炎?，并且所有必要的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施都已經(jīng)到位。唐納說：“你可以說，核聚變很容易插入并取代化石燃料或核裂變，這可能是一個(gè)非常平穩(wěn)的過渡?！彼A(yù)計(jì)，可控核聚變電廠將首先取代仍然活躍的燃煤電廠，然后是石油和天然氣發(fā)電廠，最后是核裂變電廠。

圖9：Wendelstein 7-X仿星器核聚變實(shí)驗(yàn)中等離子體扭曲容器的一部分

即使可控核聚變不能使我們擺脫當(dāng)前的氣候危機(jī)，但從長遠(yuǎn)來看，它可能是在不破壞地球的情況下滿足我們能源需求的最佳選擇?！巴锌R克之父”、蘇聯(lián)核聚變夢想家列夫·阿爾茨莫維奇(Lev Artsimovich)曾經(jīng)說過，只要世界決定需要，就會有核聚變出現(xiàn)。

查普曼說：“當(dāng)我們意識到氣候變化將成為一種生存威脅時(shí)，核聚變的出現(xiàn)將大大加快。”他將這種情況與新冠肺炎疫苗的快速開發(fā)相提并論。目前，我們根本沒有其他實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的長期方法，特別是因?yàn)槿蚰茉葱枨箢A(yù)計(jì)將在2050年至2100年之間增長兩倍。查普曼說，要滿足這種需求，“核聚變是必不可少的”。唐納說，風(fēng)能和太陽能等可再生能源肯定會發(fā)揮作用，但它們可能還不夠。

從頭開始建設(shè)一種新型能源基礎(chǔ)設(shè)施既帶來了機(jī)遇，也帶來了挑戰(zhàn)。核裂變規(guī)劃者在設(shè)計(jì)和公共關(guān)系方面犯了一些嚴(yán)重的錯(cuò)誤，但現(xiàn)在，新生的核聚變工業(yè)有機(jī)會從這些錯(cuò)誤中吸取教訓(xùn)，做得更好，尤其是考慮能源公平和正義的問題。

NIF慣性核聚變能源項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人塔米·馬問道：“當(dāng)我們有了這些發(fā)電廠，我們把它們放在哪里才能為所有類型的社區(qū)提供清潔能源？我們?nèi)绾谓⒁恢Ф嘣膭趧?dòng)力隊(duì)伍？我們?nèi)绾未_保在建立這個(gè)行業(yè)的同時(shí)，我們正在培訓(xùn)人們掌握未來的技能？這一次，我們至少要試著把事情做好?！保ń鹇梗?/p>