核聚变长期以来一直被视为未来清洁、安全且几乎取之不尽用之不竭的能源选择。与核裂变过程产生大量有害且难以处理的核废料相比，核聚变不仅不产生任何温室气体，而且几乎不产生任何废料。但当人们问起核聚变何时能民用并商业化时，之前的说辞总是“再过20年、30年”。不过，现在情况可能会发生变化。多家欧美初创公司近期表示，可能会大幅推进核聚变的商业应用。

罐子里的恒星反应

与将较重的原子核轰击分开的核裂变相反，核聚变将较小的原子核（主要是氘和氚）结合在一起，在此过程中释放出大量能量，这就是太阳能的来源。从清洁度、环保性、原材料来源等方面来说，核聚变远远优于核裂变。其产生的核废料半衰期极短，维护成本低，安全性较高。聚变原料可以直接从海水中提取，并产生大量的氘。氚原料可以说是取之不尽，用之不竭。因此，核聚变有望成为未来解决气候和能源危机的关键关键。

但要将氘核与氚核结合起来，必须在极高的压力和温度下完成，而这需要大量的能量，比我们目前从核聚变获得的能量还要多。因此，人们只有实现“能量增益”（即获得的能量大于输入的能量）才有意义。这是非常诱人的，但很难实现。困难从何而来？一个挑战是建造一个足够强大的容器来容纳超热等离子体并承受极高的压力。英国原子能机构首席执行官伊恩·查普曼教授指出，排气系统“将承受与航天器重新进入轨道时类似的温度和压力”。此外，还需要机器人维护系统，以及自动填充、维修和燃料存储系统。人们将可控核聚变比作“罐子里的恒星反应”。

这就是为什么距离核聚变民用化永远是“再过二十年、三十年”。然而，近年来，一些欧美初创公司却采取了不同的做法。他们声称，五年或更长时间后，他们将能够通过“微型太阳”获得无尽的能量。所谓“微型太阳”，是指能够提供充足、廉价、清洁能源的核聚变反应堆。

英国托卡马克设计方案

位于英国牛津郡的托卡马克能源公司刚刚于2018年12月完成最新一轮融资，使其核聚变项目融资规模超过5000万英镑（约合人民币4.35亿元）。该公司采用球形托卡马克设计，利用高温超导体将等离子体限制在极强的磁场中（这里的“高温”超导是一个物理概念，相当于-70摄氏度）。该公司现已建造了三座托卡马克（一种利用磁约束实现受控核聚变的环形容器）。第三个于2017年4月28日生产，采用30毫米厚的不锈钢和高温超导材料。由磁铁制成，命名为ST40。这是最关键的发展。利用这种高温超导磁体，可以产生强大的磁场，以防止超热等离子体破坏反应堆壁。 2018年6月，托卡马克内的等离子体温度成功达到1500万摄氏度，高于太阳核心温度。该公司希望在2019年夏天，等离子体温度将超过1亿摄氏度（一旦达到这个重要阈值，自然排斥的带电粒子就可以被迫聚集在一起，引发真正受控的聚变反应）。

“这是目前最成功的托卡马克，”托卡马克能源公司首席执行官乔纳森·卡林说。 “球形托卡马克是一种更高效的拓扑结构，因此我们可以大大提高反应的紧凑性和效率。效率。此外，它更小，因此更灵活且更便宜。 “它与目前世界上规模最大、影响最深远的国际热核实验反应堆（ITER）项目不同，该项目采用了大型反应堆圆形设计。除了实现聚变所需的高密度等离子体温度达到100万度，公司下一步目标是2025年实施产业规模示范项目，2030年实现全面商业应用。

美国紧凑型聚变发电装置

在大西洋的另一边，美国麻省理工学院正在与新成立的联邦聚变系统（CFS）公司合作，共同开发自己的托卡马克Sparc。 CFS 是一家从麻省理工学院等离子体科学与融合中心衍生出来的初创公司。该初创公司已获得超过 7500 万美元的投资，其中包括 2018 年 3 月来自意大利能源公司埃尼集团的 5000 万美元。该公司的目标是基于麻省理工学院“等离子体科学与聚变中心”的“ARC Fusion Reactor”（经济实惠、坚固、紧凑型聚变反应堆）概念，创建紧凑型聚变发电装置。关键一步是打造世界上最强大的超导电磁体，这也是紧凑聚变装置托卡马克的重要组成部分。 CFS和MIT用来制造超导磁体的材料是一条涂有钇-钡-铜-氧（YBCO）复合材料的钢带，这是一种由IBM苏黎世实验室的研究人员首先发现的超导材料。这种超导磁体的效果非常有前景。它产生的磁场将是现有聚变设备磁场的四倍，这使得相同尺寸的托克马克装置的功率提高了10倍以上。

麻省理工学院和 CFS 预计将在三年内完成超导电磁体的研究。届时，他们将利用这些超导磁体设计并建造一个紧凑型聚变实验装置SPARC。 SPARC的设计热功率为100MW。虽然不是所有的火力都可以转化为能源，但足以为一个小城市供电。最重要的是，输出的能量是加热等离子体所需能量的两倍，从而达到聚变的技术门槛：净能量输出。虽然SPARC的输出功率只有ITER的1/5，但其尺寸也只有ITER的1/65左右。

加拿大核聚变电站提案

与此同时，总部位于加拿大温哥华的初创公司 GeneralFusion 声称将在未来 10 年内以不到 10 亿美元的价格建造一座原型聚变发电厂，并已从公共和私人来源筹集了超过 1.5 亿加元。 。与ITER项目和上述两家公司依靠托卡马克等昂贵的超导磁体来容纳实现和维持聚变反应所需的超高温等离子体不同，它使用了一种技术含量相对较低的方法，被认为是一种改进了业界俗称的“磁化目标融合”系统。它由三个主要部分组成：等离子体喷射装置，主要用于提供燃料；一系列活塞来压缩燃料；和一个装有旋转液态金属混合物（铅和锂）的室。通过压缩活塞，产生振荡波，使腔内氘、氚原子的密度和温度不断升高（当温度达到几千万摄氏度时，氘、氚原子已经分裂成电子——质子等离子体形成），从而维持反应所需的熔化温度。它也比商业上可行的托卡马克装置小得多——ITER 正在建造的托卡马克装置比许多露天体育场还要大。

“核聚变正处于一个重大转折点，现在我们可以将日益成熟的核聚变技术与21世纪新兴的辅助技术结合起来，例如增材制造、高温超导体等。核聚变不再是‘又一个30几年的事情，”GeneralFusion 首席执行官 Christopher Murray 指出。该公司希望在五年或更长时间内实现商业规模的核聚变。

此外，总部位于加州的“TriAlpha Energy”和总部位于西雅图的“氦核能源”公司也在做出类似的尝试，而美国军工和航天巨头洛克希德·马丁公司推出的Weasel Works建造的紧凑型聚变反应堆也被认为是一种该领域最前沿的项目。

在公开的核聚变研究方面，韩国科学家将等离子体温度加热到3亿度并维持70秒；而位于安徽合肥的中国科学院等离子体研究所的全超导托卡马克装置（EAST）实现了101.2秒稳定的长脉冲高约束等离子体运行，这是世界上第一个实现稳定高约束等离子体运行的托卡马克装置。 - 限制长达数百秒。

当然，世界上最大的实验核聚变设施仍然是ITER（国际热核实验反应堆）。这个核聚变项目共涉及35个国家，投资超过200亿美元。法国目前仍在建设中。但要到2025年以后才会开始试运行，投入商业应用还需要更长的时间。

民营企业的出现很可能对ITER的地位和前景构成挑战。但无论是雄心勃勃的私人初创公司还是政府支持的项目赢得了最终的竞赛，成为第一个将受控核聚变商业化的人，人类都将是最大的赢家。

（作者：顾俊展，中国科学技术信息研究所副研究员）

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