新型核聚變能源研究替代聚變技術悄悄升溫

    通用聚變（General Fusion）公司的反應堆用巨大的活塞把燃料擠壓進一個液態鉛的旋渦中。

    通用聚變（General Fusion）公司的磁化標靶反應堆。將磁化的等離子體環注入液態金屬渦流，再用一叢活塞向內沖擊金屬，擠壓等離子體點燃聚變。

    ITER和其它許多反應堆都采用托克馬克裝置。它由多套線圈生成磁場，通過磁場把等離子體控制在反應室內，中心的線圈驅動電流通過等離子體，使它保持極熱高溫。

    三阿爾法能源（Tri Alpha Energy）公司的對撞束聚變反應堆。由兩門“大炮”把等離子體渦流發射到中央反應室，讓它們融合成一個靜止的等離子渦流，懸浮在磁場中，并由新燃料束持續加熱。

　　美國的三阿爾法能源（Tri Alpha Energy）公司是世界上最神秘的核聚變能源公司之一。它位于加利福尼亞歐文東部，去那里須繞過位于郊區圣塔安那山腳的辦公區到達郊外，才能來到它沒有任何標記的公司總部。

　　 這家公司不對外開放的，任何沒有簽署保密協定的外人都不得入內。三阿爾法公司嚴格保護著它的商業機密，它甚至沒有自己的網站。但漏出來的零星信息也很明顯，目前這座大樓里正進行著一些美國最大的核聚變實驗。它也是非傳統的，這里的聚變實驗裝置不是環形的“托克馬克”（Tokamak ）反應堆。

　　 40多年來，托克馬克裝置一直是核聚變反應的主要研究工具。三阿爾法公司正在測試一種線性反應堆，據說它體積更小、更簡單也更廉價——有望在10年多的時間里實現聚變發電商業化，這比用托克馬克裝置預期的要提前30到50年。

　　 新型核聚變方案

　　 托克馬克反應堆是利用環形線圈磁場來約束等離子體，實現受控核聚變的環性容器。最初由原蘇聯科學家在上世紀50年代發明。托克馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托克馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

　　 1954年，第一個托克馬克裝置在原蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所建成。1985年，在美國和前蘇聯倡議及國際原子能機構（IAEA）主持下，開始進行國際熱核實驗堆（ITER）這一重大國際科技合作項目，即是一個基于托克馬克方案的項目，主要目的是實現氘-氚燃料點火并持續燃燒，最終實現核聚變發電。預計2010年建成，未來發展計劃包括一座原型聚變堆，一座示范核聚變堆，到2050年以后有望開發商用核聚變堆。

　　 ITER項目依托的托克馬克裝置由法國卡德拉克（Cadarache）公司制造，人們期望它成為第一個能從等離子燃料的可持續燃燒中產生增益能量的聚變反應堆。然而它卻一再陷入延誤和成本超支的泥潭。現在看起來，它的成本要超過500億美元，是最初估計的10倍——而且在2027年之前，還無法開始它的首次加燃料實驗，比原定計劃落后了11年。

　　 三阿爾法公司的計劃聽起來相當吸引人，尤其在當前時期。ITER消耗了美國核聚變能源預算的最大份額，其備選方案逐漸得不到政府支持，人們對托克馬克技術也越來越失去耐心——這些都刺激了三阿爾法團隊及美國、加拿大其他物理學家，轉而尋求不同的解決方案。

　　 在過去的十多年里，這些標新立異的科學家們創立研究公司不下一打，希望能找到聚變反應堆的替代設計方案。他們中有些已經報告了鼓舞人心的成果，還有些已籌到可觀的投資。三阿爾法公司也已增加了1.5億美元，投資者包括微軟聯合創始人保羅·艾倫、俄羅斯政府風投公司Rusnano等。

　　 但成功也讓他們對未來前景更加審慎。麻省理工學院（MIT）核物理學家杰弗里·弗雷伯格說，三阿爾法公司“要擴大反應堆規模的話，還要克服一些難題”。比如，公司必須證明它能達到10億開氏度的高溫，這是燃料點火所需的溫度；還必須證明他們有實際可行的方法，把反應產生的能量轉化為電力。馬里蘭州蓋瑟斯堡聚變發電聯合會（Fusion Power Associates）會長斯蒂芬·迪恩說，其他任何新型聚變能源公司也都要面對類似問題，“我認為還沒到已經萬事俱備，很快就能看到聚變反應演示的階段。”

　　 這些新型聚變公司能否保持勢頭證明創始人的英明決策？或是也像以往那些科學家一樣，不過是一些的瘋狂夢想？

　　 仿造太陽

　　 從理論上說，建造一個聚變反應堆就是要仿造一個太陽。用合適的氫同位素或其他輕元素，加熱把電子從原子核附近剝離，成為一種等離子體，然后擠壓這些等離子體，讓它們的原子核融合在一起，使一部分質量變成能量。但在實踐中，試圖模仿一顆恒星會導致可怕的工程問題：困在磁場中的極熱等離子常常會扭曲，就像一條被激怒的蛇，不顧一切地要逃出來。

　　 長期以來，聚變研究人員更喜歡托克馬克裝置，認為它是控制等離子體“怪獸”的最佳手段。與以前的其他裝置相比，這種反應堆實現的等離子體密度、溫度和禁閉時間要高得多。物理學家也對原來設計進一步精簡，并改進了托克馬克控制高能等離子體的方式。

　　 但從一開始，許多物理學家就想知道托克馬克裝置能否擴大規模，以商業化模式發電供電。這種裝置極為復雜。它的環形容器纏繞著多套電磁線圈，以形成磁場來限制等離子體。還有更多線圈通過中心的洞以驅動通過等離子體的強大電流。

　　 還有它的燃料是氫同位素氘（D）和氚（T）的組合（D-T）。科學家們普遍認為，對原子能反應堆來說，D-T是唯一明智的選擇，因為與其他組合燃料相比，它的燃點較低，只需大約1億開氏度，而且能釋放更多能量。但反應釋放的能量80%都是超快中子的形式，這會對容器壁造成巨大破壞，產生高放射性。如果要發電，必須用中子的能量來加熱傳統蒸汽輪機中的水，這一過程的效率只有30%到40%。

　　 成本高、復雜、進展緩慢，這些問題也是慣性約束聚變所要面對的。慣性約束聚變是替代托克馬克磁約束聚變的最主要方法，也獲得了許多政府資助。這種方法是用高能激光束點燃冷凍的燃料丸，實現向心聚爆。慣性約束聚變的方案也已開展了幾十年，如位于加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置，目前同樣在為實現聚變發電的承諾而努力。

　　 聚變研究中的“黑馬”

　　 人們的關注激發了科學家對仿星器的熱情。他們有些人設計了將托克馬克裝置某些方面加以簡化的環形裝置，但可能需要更復雜的磁線圈；主流的等離子物理學家只是把實踐中的工程問題留待以后解決，假定他們找到辦法后就能造出這些設施。聚變研究中的“黑馬”屬于少數派，他們認為需要更加激進的方案：首先要把工程問題解決，設計一種簡單廉價的反應堆讓供電公司真心想買它，然后再努力實現等離子反應。

　　 “黑馬”之一就是三阿爾法公司，于1998年創立。其聯合創始人、加州大學歐文分校物理學家諾曼·羅斯托克當時已經72歲，他是那些標新立異的科學家中的一員。羅斯托克和同事提出，要拋開D-T燃料，改用硼-11（11B，一種穩定的硼同位素，在自然界的硼元素中約占80%）來融合質子。點燃這種p-11B燃料需要大約10億開氏度的高溫，是太陽核心溫度的100倍。每次聚變反應產生的能量只有D-T燃料所釋放能量的一半。但它的實際反應生成物里沒有麻煩的中子：聚變只會生產3個高能氦原子核，也叫α粒子。α粒子是帶電的，所以能用磁場引導它們進入一個“逆向回旋加速器”裝置，把能量轉化為普通的電流，轉化效率可達到90%左右。

　　 要在托克馬克裝置里燃燒10億開氏度的p-11B等離子體是不可能的，尤其用于控制α粒子所需的強磁場更是難以實施。所以，羅斯托克和同事們設計了一種線性反應堆，看起來就像兩門炮筒相對的大炮。每門大炮都能發射一種“等離子體團”，這種等離子團是非常穩定的，其中的離子流會產生磁場，反過來對等離子起到約束禁閉作用。“這是我們能想到的最理想的構造。”華盛頓大學等離子物理學家阿蘭·霍夫曼說。

　　 要啟動反應堆，每門大炮都要點燃一個等離子體團，將其發射到中央反應室，在這里兩個等離子團融合成一個更大的、自由浮動的等離子團，只要繼續補給能量，這個等離子團就能一直燃燒下去。反應中產生的α粒子在另一個磁場的引導下返回大炮，被捕獲而進入能量轉化器。

　　 研究小組1997年發表他們的這一設計理念時，美國能源部顯然不會資助他們開發這種機器，能源部把重點放在了托克馬克裝置上，因為它似乎是個更安全的賭注。“資助這些大實驗已經有幾十年了，取得里程碑式突破性進展的機會微乎其微。”華盛頓大學等離子物理學家約翰·斯勞說，“如果他們開始資助一些替代方案，或許還能有些機會。”

　　 于是，羅斯托克和同事們決定轉向高技術新創公司與風險資本基金。他們成立了一家公司，命名為三阿爾法公司，因為在p-11B反應中會生成3個α粒子。此后他們又增加了足夠的投資，聘請的員工已超過100人。

　　 據迪恩猜測，可能是幾個合伙人創立公司時的態度決定了三阿爾法公司為何如此神秘。“作為一家風險投資基金贊助的公司，秘密之一就是要在被其他人注意到之前，把他們的理念發揚光大。”

　　 但從過去5年左右，該公司開始讓其員工發表研究成果，參加各種會議。它當前的實驗機是一個10米長的設備，稱為C-2。三阿爾法公司證明，它的碰撞等離子團能像預期的那樣融合在一起，火球可以自行維持達4毫秒——按等離子物理學中的標準，這是很長時間了——這段時間足以再注入燃料束。去年，三阿爾法公司研究員郭后揚在德克薩斯州福特沃斯舉行的一次等離子體大會上宣布，聚變火球的燃燒時間已增加到5毫秒。目前該公司希望建造一臺更大的機器，正在尋求投資。

　　 “作為一個科學項目，它是非常成功的，但并不是p-11B。”霍夫曼說，他在決定是否投資時審查了艾倫的研究工作。迄今為止，三阿爾法公司還是用氘在C-2上實驗，要實現最終燃料所需的極端等離子體條件，還有很長一段路要走。

　　 此外，三阿爾法公司還未能證明怎樣才能把α粒子直接轉化為電力。“這方面我還沒看到任何將要付諸實施的計劃。”麻省理工學院物理學家、前能源部聚變能源顧問委員會主席馬丁·格林沃爾德說。事實上，按照三阿爾法公司的計劃，它的第一代能量反應堆會用更為傳統的蒸汽渦輪系統。

　　 其他研究核聚變的企業也必須面對類似的挑戰，但這阻止不了他們。斯勞也是一家位于華盛頓雷德蒙德的氦核能源（Helion Energy）公司的首席科學官，他們公司正在開發一種線性對撞束反應堆，體積縮小到能放到一輛大貨車后面。氦核（α粒子）反應堆將從兩邊各發射一束穩定的等離子團到反應室，它們在磁場作用下對撞在一起，直到聚變開始。聚變產物會在1秒鐘內被導出去，隨即有下一對等離子團沖進來。“我們喜歡把它比作柴油機。”公司首席執行官戴維·科特利說，“每次注入燃料后，用活塞擠壓來讓它們點燃聚變反應，而不是用火花引燃，再由爆炸的力量將活塞推回來。”

　　 氦核能源公司已經用等離子體團在氘-氘（D-D）反應堆上證明了他們的理念，能每3分鐘發射一次。現在他們需要1500萬美元的私人投資，然后在今后5年里開發全規模的機器，使用氘-氚（D-T）燃料可以保持資金的盈虧平衡，新機器運行后，產生的能量將和它消耗的能量相當。公司希望這個反應堆最終能達到氘-氚聚變所需的更熱條件，氘-氚組合燃料的產物只有α-粒子和質子，也沒有中子。

　　 目前科特利對資金相當樂觀。“市場對低成本、安全又清潔的能源有著巨大需求，所以我們看到私人投資團體也樂于資助新的聚變技術，他們對新能源開發起著巨大推動作用。”如果籌資成功，“我們的計劃是在6年內把我們的實驗發電站放到網絡上。”

　　 自旋反應裝置

　　 此外，還有其他用氘-氚（D-T）燃料的替代方案，只是約束控制的方法不同。位于加拿大伯納比的通用聚變（General Fusion）公司于2002年創立，其研究人員設計出另一種反應堆，把D-T等離子體團注入到一個液態鉛的自旋渦流中，然后用一叢活塞向內擠壓。如果這種擠壓在幾微秒內完成，等離子體就會向心聚爆，達到核聚變的條件。這種設計的一個優點是，液態鉛不會在受到中子轟炸時發生裂變，通用聚變公司創辦人邁克爾·拉貝杰說。

　　 通用聚變公司也在小規模裝置上證明了他們的設想，由爆炸來驅動活塞。他們已從風險投資商和加拿大政府那里籌集了5000萬美元。拉貝杰說，如果能再籌到2500萬美元的話，就能建造一個強大的向心聚爆系統，把等離子體擠壓到能產生聚變的程度——或許這一目標在今后兩年內就能實現。

　　 雖然抱著樂觀態度，但迪恩估計，要等這些新型聚變公司真的造出發電站來，至少還要再等10年或更長時間，還有太多的新技術需要證明。他說：“我認為這些東西都是良好的促進因素，應該受到支持，但還不能說我們已經站在突破口的邊緣。”

　　 在可以預見的未來，尚不清楚美國能源部會給這種新型聚變研究提供多少支持，但他們的聚變能源計劃已經為氦核和一些面向新型反應堆的小規模學術研究提供了少量資金。能源部的長投基金機構——高級研究計劃局也已逐漸顯出對這些新設想的興趣，甚至還在去年舉行了一次專題討論會。聚變能源顧問委員會正在準備一個為期10年的研究計劃，從明年開始，毫無疑問會對新型聚變研究給予更多支持。但資金還是緊張，ITER仍是財政支持的大戶。

　　 就目前來說，大部分資金可能來自私人部門。雖然還有許多技術障礙，投資者們仍愿意冒險。斯勞說：“人們正開始思考，‘嗨，或許還有其他方法來做這件事！’或許值得投入幾百萬美元來開發它。”