造一颗“人造太阳”发电，能解决能源困局吗？

本文来自微信公众号：极客公园前沿社（ID：GeekParkFrontier），作者：前沿社，原文标题：《可控核聚变已有初创公司试水，能源困局的最终解法是“人造太阳”吗？ | HyperTech》，头图来自：视觉中国

在能源短缺、电荒的大背景下，核能的应用再次引发了各界的关注。

细数几个世纪以来人类发明的各种产生能量的方法，化石能源、风能、太阳能等，各有各的缺点，前者不可持续而且产生温室气体，后两者发电缺少可靠性，储电也需要太多电池设备。

所以实际来看，目前我们所拥有的有潜力对抗气候变化的或许还是核能，但由于核能以往的应用类型，人们听到核能时，很可能脑海中浮现的只有切尔诺贝利、福岛、蘑菇云。

不可否认，目前的核电有着核废料无法回收、潜在的核安全事故等问题。但它也已经是全世界发电的重要方式：根据世界核协会公布的数据，2020 年全球电力有 10.1% 由核能发电提供。

除了目前的核电外，理论上还有另一种更完美的、从核反应中获取能量的方法：可控核聚变。

造一颗“太阳”发电靠谱吗？

白天，当我们抬头仰望天空时，可以观察到核能发挥作用的一个巨大的例子：太阳。

约 100 年前，科学家们发现了为太阳（以及宇宙中的其他恒星）提供动力的反应过程——核聚变。太阳将两个氢原子融合在一起产生氦原子，在此过程中释放出能量。

这一反应过程可以用来发电的逻辑是：两个氢原子，加上足够的热量和压力，便可以融合在一起聚变成氦原子。在这个过程中，部分氢物质转化为热量，而这个热量可以用来发电。

太阳可以使核聚变发生是因为它是一个巨大的气体球。它的重力产生内部压力，使聚变成为可能。而在地球上，我们无法获得像太阳内核一样诱导聚变所需的引力场之类的任何东西，因此必须寻找其他方法。

太阳内部相互抗衡的力量，from 香港天文台

由于地球上没有任何材料可以承受数千万摄氏度的高温而不熔化，人工核聚变在很长一段时间内只是一种幻想。在 1950 年，一群俄罗斯科学家找到了一种方法。他们发明了一种名为托卡马克（俄语：Токамак，又称环磁机）的核聚变装置，由甜甜圈形状的真空室和强磁铁构成。

托卡马克装置工作原理的动画视图，from ITER

它的原理是在托卡马克内部引入氢气（GIF 中的灰色）并使用磁场（GIF 中的粉红色）将其保持在动态但精确的位置。

当氢气漂浮在真空空间时，用强大的电磁电流冲洗它，该电流具有两个功能。

1. 通过从电子中剥离原子，将气体变成等离子体；

2. 像在微波炉中加热食物一样加热等离子体。

一团等离子云被电磁电流（黄色和粉红色）冲洗并保持在托卡马克装置内的特定位置，蓝色和绿色粒子是氢，from Tokamak Energy

在考虑人工制造核聚变过程时，需要考虑一个关键细节。由于托卡马克装置不像太阳那样压缩等离子体，因此发生碰撞的几率小得多。为了弥补这一点，需要进一步加热粒子以提高它们的速度。这就是为什么我国的人造“太阳”EAST （Experimental Advanced Superconducting Tokama，先进实验超导托卡马克实验装置）的反应温度是太阳的 6 到 8 倍。

2021 年 5 月，EAST 打破了世界纪录，它达到了 1.2 亿摄氏度的等离子体温度，维持了 101 秒。科学家们还设法在 20 秒内维持了 1.6 亿度的温度。

上述我们可以总结，实现可控核聚变的条件十分苛刻：

1. 燃料需达到极高的温度（1 亿摄氏度以上）；

2. 具有足够的密度，从而提高燃料原子核之间碰撞而发生核聚变反应的概率；

3. 具备足够长的能量约束时间，将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间，才能使核聚变反应得以持续进行。

也就是说，燃料温度、密度、能量约束时间，这三个参数的乘积（“聚变三乘积”）必须达到一定值，才能满足聚变反应条件，实现可控核聚变。因此，核聚变原理虽然简单，但聚变能开发却面临一系列科学技术挑战。

聚变工业协会（Fusion Industry Association）的 CEO Andrew Holland 在接受采访时表示：“到目前为止，还没有任何公司、大学、国家实验室或政府实现了核聚变能量平衡的目标。”

也就是说，还没有一家公司能够实现净能量核聚变，各种试验中聚变反应产生的所有能量都还未能超过被用于启动和维持反应消耗的能量。

为什么可控核聚变仍然值得期待？

有三个原因可以解释为什么它被视为解决未来人类能源问题的终极途径之一。

首先在于燃料。核聚变依赖于两种氢的同位素：氘和氚。前者在海水中含量丰富，而后者在地球上极为罕见。但科学家们正在考虑替代方案——用氦-3 代替氚，进入太空采矿。尽管氦-3 在地球上很少见，但在月球表面氦-3 无处不在，何况还有其他小行星可供选择。

其次是环境影响。聚变反应堆产生的废物几乎为零。事实上，被称为“中子”的残余物可以被捕获并回收成用于未来反应的原材料。其余的，即聚变反应产生的 99%，是使用涡轮机转化为电能的热蒸汽。一旦蒸汽冷却，它就会重新变成干净的水。

最后是安全性。如果出现故障，超热等离子体会膨胀并冷却，恢复到其无害的气体形式。即使在反应中间发生泄漏的情况下，等离子体也会扩散到大气中，由于稀释，不会造成任何伤害。换句话说，聚变反应堆不是炸弹，也不会产生放射性废料。

核聚变发电的潜力，吸引了世界上很多国家正团结起来推动这种发电方式更具有商业可行性。前文提到的我国的 EAST 项目也为名为国际热核实验反应堆（ITER）提供支持。

ITER 是由美国、俄罗斯、印度、日本和欧盟等 35 个国家赞助的核聚变反应堆。它正在法国建造，场地有 60 个足球场那么大。技术与 EAST 相同，这个国际项目的总成本可能超过 650 亿美元。

预计到 2035 年，ITER 将提供足以覆盖 500,000 个家庭的能源。但鉴于该项目的巨大性和技术挑战，存在延误和额外成本，未来可能会继续延期。

与此同时，想要从这块市场中分一杯羹的挑战者们也不会袖手旁观，一些初创公司已经在构建新技术以解决现有问题。

核聚变初创公司的试水

自 90 年代以来，核聚变相关初创企业的数量一直在增长。Andrew Holland 表示，在中国、美国、英国、法国和加拿大等几个国家至少有 35 家公司，根据报道，这些公司总共筹集了 19 亿美元。

目前可控核聚变方面的工程上的挑战，许多归根结底都是如何制造磁铁。为了实现净能量核聚变，磁铁必须足够强大，可以控制这个超高温的高速旋转物质，同时又不会消耗太多能量。

在 9 月 8 日的一个在线新闻发布会上，美国新能源初创公司 Commonwealth Fusion Systems（简称 CFS，成立于 2017 年，衍生于美国麻省理工学院）公布了一个长 2 米、宽 1 米的 D 型电磁体，并表示它产生的磁场大约是地球自然磁场的 50 万倍，是任何类似超导磁体强度的两倍。

CFS 的新型电磁体，from Mit News

等离子体物理学家、CFS 的联合创始人兼首席执行官 Bob Mumgaard 表示：“我们 3 年前甚至不知道是否存在这样一个磁体，但现在我们已经拥有了它”。CFS 的研究人员表示，他们的新磁体可以大大缩小托卡马克的尺寸，因此更便宜、更容易建造。基于此，他们有望在 2025 年之前建成一个相对较小的聚变发电站原型，尽管还有很多其他挑战需要克服。

目前，CFS 尚未实现营收，但该公司已经从少数投资者那里筹集了超过 2.5 亿美元资金，其中包括备受瞩目的可持续发展投资基金 Breakthrough Energy Ventures，该基金的支持者包括比尔·盖茨（Bill Gates）、杰夫·贝索斯（Jeff Bezos）等。

General Fusion 另一家是由加拿大物理学家和企业家 Michel Laberge 于 2002 年创立的核聚变能源公司。它使用强大的活塞压缩液态金属球体内的等离子体。然后热量被捕获并重新导入一个系统，将其转化为电能。General Fusion 是在三个主要独立组件的帮助下完成这项工作的：等离子喷射器、活塞阵列和燃料室。该公司的 CTO Michael Delage 希望将它们整合到一个巨大的示范反应堆中，他估计这需要大约五年的时间。

下面是它如何工作的说明。注意内部旋转的液态金属。

General Fusion 使用的基于活塞的技术from General Fusion

General Fusion 得到加拿大、英国和美国政府的支持。2018 年，加拿大政府承诺向 General Fusion 投资 4,930 万美元，以帮助其开发大型原型工厂并创造 400 个新工作岗位。

2019 年，公司在新加坡投资公司淡马锡控股私人有限公司领投的 E 轮融资中筹集了 8500 万加元，并获得了加拿大商业发展银行清洁技术实践、DLF 集团、Gimv、I2BF Global Ventures 的额外支持、Disruptive Technology Advisers、Hatch 和几位个人影响力投资者。根据媒体报道，General Fusion 迄今为止的总资金为 1.921 亿美元。

General Fusion 计划在 2022 年之前拥有功能原型。但与 ITER 一样，其延迟的可能性也很大。

一些行业专家则表示，像 General Fusion 这样的公司也许过于乐观，低估了聚变反应堆的全部挑战。它们可能赢得了贝佐斯和盖茨这样的投资者的青睐，可能筹集了超过上亿美元，但就像其他公司或研究小组一样，它们仍然无法达到所谓的盈亏平衡点，即释放的能量（来自聚变反应）大于用于加热等离子体的必要能量的消耗，并且这个问题解决起来可能不会很快。

如何把过往几十年的核聚变的发展和经验用于推进其商业建造是一个至今还比较陌生的问题，而它们将如何影响经济是另一个有待回答的问题。

虽然聚变并不是应对气候危机的可靠答案，也没有人能够彻底证明即将建造的聚变反应堆的可行性。但也许正如科学记者 Charles Seife 所说，也许会是核聚变的“兄弟姐妹”们，最终真的为地球提供了无限的能源。

原文链接：

1.China Is Building an Artificial Star to Solve Our Environmental Crisis

https://t.hk.uy/atp3

2.Why Commercial Nuclear Fusion Won’t Happen In Our Lifetime 

https://t.hk.uy/atp6

3.Could Our Arsenal of Nuclear Power Help Stave Off the Climate Crisis for Good?

https://t.hk.uy/atpD

本文来自微信公众号：极客公园前沿社（ID：GeekParkFrontier），作者：前沿社