7月25日，在泰國那空那育府，泰國公主詩琳通啟動托卡馬克實驗裝置

　　“要實現商業融合，必須克服一些挑戰，利益相關者對這一時間表的預測從10年到幾十年不等。”

文/《環球》雜誌記者 韓嘯

編輯/馬琼

　　美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家7月30日成功重現“核聚變點火”突破，第二次在可控核聚變實驗中實現“凈能量增益”。

　　這之前，去年12月科研人員在該實驗室“國家點燃實驗設施”進行的可控核聚變實驗首次實現核聚變反應凈能量收益，聚變實驗中産生的能量多於引發反應的能量。這一突破被認為是核聚變科學的重要里程碑，證明這項被稱為能源領域“聖杯”的技術，確實有望成為現實。

　　核聚變技術實用化也在提速。今年5月，美國氦核能源公司與微軟簽署了歷史上第一份核聚變能源商業合同，將於2028年為微軟提供至少50兆瓦的電力，全球核聚變能源實用化目標似乎近在咫尺。

　　回顧歷史可知，核聚變技術在過去幾十年中的研究主要集中於公共資助項目，例如，由35個國家共同參與建設、位於法國的國際熱核聚變實驗堆（ITER），累計耗資超200億美元，是目前世界上最大的核聚變項目。

　　近年來，英國托卡馬克能源公司、美國聯邦聚變系統公司、加拿大通用聚變公司等初創企業在核聚變領域涌現，籌集大量資金致力於將核聚變技術商業化。業內普遍認為，隨着尖端研究轉向私營部門，全球核聚變研發競爭正在加劇。

“人造太陽”

　　核聚變是太陽和其他恒星的主要能源來源，因此被科學界稱為“人造太陽”。其原理是將輕元素施以高溫高壓使之聚變為重元素，釋放巨大能量。根據愛因斯坦的質能方程E=mc2，質量與能量之間存在等價關係。核聚變所釋放的能量巨大，是目前已知的所有能源形式中最高的，比煤、石油、天然氣燃燒等化學反應的最大功率要平均多釋放四五百萬倍的能量。

　　現有的聚變技術，最有效的配對來自氫的兩種同位素（氘與氚）之間的聚變反應，將燃料加熱到超過1億攝氏度，並施加逾1000億倍地球大氣壓的壓力，從而發生核聚變反應。

　　作為一種能源方式，核聚變的優點顯而易見——其所需的氘、氚等燃料資源在地球上的存儲非常豐富：氘可以直接從海水中提取，氚可以通過中子和鋰反應産生。更令人欣喜的是，核聚變不産生溫室氣體和長時間放射性廢物，能有效解決目前日益嚴峻的氣候變化問題，所以被視作近乎無限的零碳清潔能源。

　　然而，要實現可控核聚變將其應用於商業發電是一項巨大的技術挑戰。半個多世紀以來，核聚變能源的巨大潛力吸引着各國物理學家們持續深入相關研究。

　　加拿大通用聚變公司首席業務開發官傑伊·布裏斯特認為，由於超級計算機和3D打印等輔助科技的進步，讓更精確的建模和製造實踐成為可能，私營企業現在得以進入核聚變領域。加上資金的涌入，私營核聚變行業將邁上新的&階。

　　擁有37家正式會員公司的美國核聚變工業協會（FIA）首席執行官安德魯·霍蘭德&&，核聚變有多種技術路線，協會公司正在追求使用不同的技術解決方案，這增加了至少有一項正在開發的技術取得成功的可能性。

不同技術路線共同競爭

　　為實現可控核聚變，一般會採用慣性約束和磁場約束這兩種方法。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的“國家點燃實驗設施”就是採用慣性約束核聚變方案；磁約束則大多使用托卡馬克裝置，因傳統托卡馬克裝置規模巨大，需要鉅額資金，多屬於公共或政府間項目。

　　正在建設的ITER是世界上最大的核聚變工程，使用巨型環狀容器托卡馬克，注入氫燃料使其在極端高溫下發生電離，形成原子核質子和電子自由移動的等離子狀態。繼而，在托卡馬克裝置中來回穿梭的強磁場和電場包圍等離子云，控制穩定的同時不斷加熱，讓其中的原子相互碰撞、融合，完成核聚變。

　　目前，世界上只有一個托卡馬克裝置能夠實現氘氚聚變反應：從1983年開始運行、位於英國牛津郡的歐洲聯合環（JET），其同樣採用托卡馬克裝置。2021年，JET完成核聚變研究的一項重大突破：在5秒內産生了能量輸出為59兆焦耳的穩定等離子體，打破了此前1997年同樣由JET創下的21.7兆焦耳的紀錄。

　　然而，從單次實驗到核聚變能源實用化仍道阻且長。

　　《科學美國人》雜誌近日引用最新披露文件撰文稱，於2006年正式啟動的ITER項目正面臨工期推遲、預算超支等諸多問題，原定於2025年建設完成、2035年開始氘-氚運行的進度很可能面臨推延。

　　值得關注的是，私營部門在關鍵技術上完成“降成本”創新突破格外搶眼。

　　英國托卡馬克能源公司3月發布消息稱，該企業利用ST40“球形托卡馬克”核聚變裝置將反應堆加熱到了1億攝氏度，這是氫原子可以開始聚變的閾值。

　　傳統的托卡馬克裝置規模巨大，而球形反應堆要緊湊得多，所有環繞磁鐵替換為在室中央以柱子形式相遇，讓反應堆形成一個類似蘋果的扁圓形狀。這讓磁鐵更接近等離子體流，因此磁鐵更小，使用更小功率可以産生更強烈的場。專家認為，托卡馬克能源公司的反應堆更小，運行時的等離子體加熱功率更小，這可能為第一個商用聚變電站鋪平道路。

　　另一項推動核聚變商用化的關鍵技術是超導磁鐵。該磁體由稀土氧化鋇銅製成，形成厚度小於0.1毫米的窄帶。這些“高溫”磁鐵的工作溫度在零下250攝氏度至零下200攝氏度之間，或大約是液氮的溫度，這將大大減少反應成本。

　　托卡馬克能源公司首席執行官克裏斯·凱爾索爾説：“當與高溫超導磁體相結合時，球形托卡馬克代表了實現清潔和低成本商業聚變能源的最佳途徑，我們的下一個裝置將首次結合這兩項世界領先技術。”

　　源自美國麻省理工學院的美國聯邦聚變系統公司也在超導磁鐵領域做出技術突破：該企業嘗試利用一種新型高溫超導材料結合托卡馬克裝置，預計於2025年投入運行能産生凈能量的實驗反應堆。

大批資金涌入

　　核聚變能源的巨大潛力正在吸引越來越多的資金涌入私營部門，其中不乏亞馬遜初創人傑夫·貝索斯、比爾·蓋茨、谷歌母公司、美國石油巨頭雪佛龍、歐洲能源巨頭埃尼公司等知名投資方。

　　根據FIA報告，截至2022年核聚變領域的私人投資額激增至47億美元，該行業短短1年內的投資額就超過此前的投資總額。

　　橫向對比看，在全球範圍內，美國公司在私營核聚變領域具有早期優勢，全球該領域約80%的私人投資資金流向美國公司。目前37家FIA會員企業中，23家會員成立於美國，其他大部分也都在美國設立有子公司。

　　為支持核聚變私企加速核能源研發進程，美國能源部門陸續下達多筆資金補助。5月底，美國能源部為8家開發核聚變能源的美國公司頒發4600萬美元，用於建設核聚變試點工廠。該基金來自2020年的一項能源法案，未來資金總額高達4.15億美元。

　　與此同時，中國、日本、韓國、英國和德國等也在核聚變領域做出戰略規劃。今年4月，中國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克實驗裝置（EAST）創造新的世界紀錄，成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒。2017年，中國推出比ITER規模更大的聚變工程實驗反應堆（CFETR），計劃到2035年建成，開始大規模科學實驗。

　　霍蘭德呼籲，公共部門與私企合作不應僅限於資助基金，“我們需要政府部門、國家實驗室、大學和社區充分發揮作用，一起為核聚變能源商業化作貢獻。”

未來懸而未決

　　雖然核聚變技術里程碑和鉅額投資頻繁登上新聞頭條，但專家指出，核聚變關鍵技術難題、實驗安全性、商用高成本等棘手問題遠未解決，核聚變確切的商業化時間表仍不確定，需要進一步更顯著的技術突破。

　　美國政府問責辦公室（GAO）3月發布了一份報告，認為聚變技術在産生商業電力之前面臨許多挑戰。“要實現商業融合，必須克服一些挑戰，利益相關者對這一時間表的預測從10年到幾十年不等。更通俗地説，從聚變中提取能量以提供經濟的電力來源的任務提出了幾個尚未解決的複雜系統工程問題。”

　　報告指出，公共和私營部門的失調、監管的不確定性和其他因素也給聚變能源的發展帶來挑戰。公共部門的努力優先考慮基礎科學，但聚變能源的發展需要額外重視技術和工程研究。另一個因素是監管的不確定性，這可能會減緩聚變能源的發展，儘管制定適當的法規來確保安全而不限制發展是很困難的。

　　美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室前主任羅伯特·戈德斯頓&&，許多私營公司的主張缺乏公開數據，這意味着無法判斷這些計劃成功的可能性有多大。

　　他認為，目前的資金水平和普遍的初創心態可能會比預期更快地推動核聚變行業的發展，但這仍然是一個渺茫的機會，政府的政策支持和投資將在推動核聚變技術發展方面發揮重要作用。

來源：2023年8月23日出版的《環球》雜誌 第17期

《環球》雜誌授權使用，如需轉載，請與本刊&&。

更多內容敬請關注《環球》雜誌官方微博、微信：“環球雜誌”。