核聚變研究旨在確保能源的未來

到 2040 年，全球電力需求預(yù)計將翻一番，隨著電氣化擴(kuò)展到新的應(yīng)用，到 2060 年可能會增加五倍。目前，全球研究人員正在尋求滿足這一需求的一種解決方案，即建造能夠以零排放改變氣候的氣體提供電網(wǎng)規(guī)模電力的核聚變發(fā)電廠。

該技術(shù)將復(fù)制太陽的過程，太陽通過核聚變將物質(zhì)轉(zhuǎn)化為數(shù)百萬年來釋放出巨大能量的過程，包括將氫同位素轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぴ?。眾所周知，自然界中的一切都趨向于勢能最小的狀態(tài)，我們都趨向于理想的靜止?fàn)顟B(tài)。距離地面 1 米的物品放開會掉到地上；即，它將被吸引到一種勢能最小的狀態(tài)——在這種情況下，是引力能。

盡管原子水平的勢能具有不同的性質(zhì)，但一切都以相似的方式起作用。在聚變反應(yīng)中，兩種同位素的原子核融合，使它們都進(jìn)入較低的能量狀態(tài)，釋放出多余的能量。然而，聚變反應(yīng)需要非常高壓和高溫的環(huán)境，以使原子核在等離子體狀態(tài)（即物質(zhì)的第四態(tài)）中彼此足夠接近。

給定元素的同位素因中子數(shù)而異。氫原子的原子核由單個質(zhì)子產(chǎn)生，氫同位素因其他粒子而異：氘的原子核有一個質(zhì)子和一個中子，氚有兩個中子，氫 4 有三個中子，依此類推。

在將質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量時，核聚變反應(yīng)使用愛因斯坦的比率：E = mc 2。帶正電的原子核往往會相互排斥，因此氫原子核必須能夠非常接近其他仍有質(zhì)子的氫原子核才能實(shí)現(xiàn)聚變目標(biāo)。這允許核力將它們結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生更重的粒子。

溫度和等離子

高溫會熱攪動粒子，由此產(chǎn)生的無序運(yùn)動可以幫助它們結(jié)合。如果它們帶正電，它們會相互排斥，因此需要達(dá)到至少 1 億攝氏度的溫度才能發(fā)生聚變。由于難以找到用作容器的合適材料，因此難以達(dá)到如此高的溫度。

然而，加熱含氫氣體所需的極高熱量（以及因此的能量）會將電子從其原子核中拉出，使其僅帶有正電荷（電離）。此外，在這些溫度下，氫氣將有兩個獨(dú)立的電流——一個是負(fù)的，來自從原子核中撕裂的電子，另一個是正的，來自幸存的質(zhì)子——并且氣體會變成等離子體。磁場會影響在這個位置產(chǎn)生的電流。只有磁場才能將等離子體捕獲并限制在其線圈中，使其遠(yuǎn)離安全殼壁。

稱為托卡馬克的磁約束反應(yīng)堆使用環(huán)形（甜甜圈形）容器結(jié)構(gòu)。

雖然需要大量能量來產(chǎn)生等離子體并保持它被控制住，但核聚變產(chǎn)生的能量超過了獲得它所消耗的能量。增益因子是獲得的能量與浪費(fèi)的能量 (Q) 的比例。等離子體在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定（即被包含在內(nèi)）也很重要。溫度和約束持續(xù)時間是展示核聚變潛力的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。

在托卡馬克反應(yīng)堆中，熱等離子體流被封閉在環(huán)形容器內(nèi)，被磁場包裹、囚禁和控制（就像那些引導(dǎo)在大型加速器中運(yùn)行的高溫粒子束的磁場一樣）。

在聚變反應(yīng)堆中，只有自然界中最基本的元素氫相互作用。它的能源過程不產(chǎn)生廢物、危險產(chǎn)品、放射性廢物或其他化學(xué)品，因?yàn)椴皇褂锰細(xì)浠衔铩⒚旱然瘜W(xué)成分或鈾等重元素。聚變的唯一結(jié)果是氦，它是一種輕質(zhì)、惰性和安全的氣體。

在聚變發(fā)電廠中，放射性僅限于處理由已經(jīng)在運(yùn)行的中子通量激活的反應(yīng)堆材料，以及氚的儲存（在 12 年內(nèi)衰變），這種操作涉及現(xiàn)在很常見的輕放射性同位素在每家使用同位素進(jìn)行診斷和治療的醫(yī)院或服務(wù)中。最后，與裂變反應(yīng)不同，核聚變過程不會以鏈?zhǔn)椒绞竭\(yùn)行：如果不提供等離子體流，反應(yīng)將停止。

只需關(guān)掉電源。從而實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全和被動安全的概念。

融合技術(shù)

Helion Energy 的 Trenta 原型在聚變條件下合并和壓縮高 β 場反轉(zhuǎn)配置 (FRC) 氘等離子體，在高于 8 keV 離子溫度和1-keV 電子溫度。2018年，其第五代樣機(jī)產(chǎn)生7T磁場，高密度離子溫度達(dá)到2keV。

該系統(tǒng)由磁鐵組成，可將兩個 FRC 從 40 英尺加速器的兩端加速到 100 萬英里/小時。之后，他們在中間發(fā)生沖突。當(dāng) FRC 在系統(tǒng)核心相遇時，磁場會壓縮它們，直到它們達(dá)到聚變溫度。氘和氦 3 離子在此溫度下快速移動，克服排斥它們的力，使離子結(jié)合或融合。結(jié)果，能量被釋放，等離子體膨脹，推動磁場。場的變化導(dǎo)致電流流動，從而產(chǎn)生電力，用于為電力負(fù)載供電（圖 1）。

FRC 設(shè)備以自穩(wěn)定環(huán)面的形式將等離子體限制在閉合磁場線上。與 spheromak 一起，它們被認(rèn)為是緊湊型環(huán)形聚變裝置的一部分。FRC 設(shè)備通常比 spheromak 具有更細(xì)長的等離子體。

圖 1：Helion 系統(tǒng)框圖（來源：Helion Energy）

ITER多國聚變研究項(xiàng)目使用的反應(yīng)堆是托卡馬克設(shè)計的。托卡馬克的環(huán)形真空室是它跳動的心臟。真空室沒有空氣和污染物。磁鐵保持和調(diào)節(jié)等離子體，等離子體在引入氣體燃料之前被充電。當(dāng)大電流通過容器時，氣體會發(fā)生電分解，當(dāng)電子從原子核中剝離時被電離，并產(chǎn)生等離子體。

ITER 使用超導(dǎo)磁體來限制等離子體（環(huán)形場線圈）并保持其形狀和穩(wěn)定性（極場線圈）。一個磁籠將等離子體與安全殼隔開。在 68,000 A 的驅(qū)動下，磁場可能達(dá)到 11.8 T，接近地球磁場的 250,000 倍。

每塊磁鐵的大小為 17 × 9 米，重 320 噸。

圖2：ITER施工現(xiàn)場（來源：F4E）

其他聚變組件包括真空容器，一種用于在真空中容納聚變反應(yīng)的雙壁容器。低溫系統(tǒng)冷卻磁體并達(dá)到理想的真空條件。遠(yuǎn)程處理系統(tǒng)使用人工輔助機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)來監(jiān)控、維護(hù)和更換組件。診斷系統(tǒng)監(jiān)測托卡馬克等離子體性能。

TAE Technologies 成立于 1998 年，是加州大學(xué)歐文分校的私人控股子公司，擁有專有的融合方法。與其他試圖利用太陽能發(fā)電過程的技術(shù)相比，該方法使用了一種產(chǎn)生和限制等離子體并在更高溫度下運(yùn)行的機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)具有更高穩(wěn)定性和更高安全性的聚變。

TAE 的概念源于希望克服傳統(tǒng)托卡馬克反應(yīng)堆面臨的挑戰(zhàn)，例如氘氚處理技術(shù)的必要性、氚稀缺性以及超導(dǎo)磁體的尺寸和成本。TAE 反應(yīng)器由氫和硼驅(qū)動。在氫硼聚變中只產(chǎn)生三個氦核（稱為 α 粒子）和 X 射線，它們的能量用于為渦輪機(jī)提供動力。

TAE Technologies 的工程師和科學(xué)家在加州實(shí)驗(yàn)室工作，但在全球范圍內(nèi)，TAE 擁有 250 名專門從事反應(yīng)堆開發(fā)和核聚變技術(shù)的員工。該公司已從包括 Google、NEA、Venrock 和 Wellcome Trust 在內(nèi)的機(jī)構(gòu)投資者以及家族基金會 Addison Fischer、Samberg Family 和 Charles Schwab 等機(jī)構(gòu)投資者那里籌集了超過 8.8 億美元的私人資金。

圖 3：TAE 技術(shù)（來源：TAE Technologies）

General Fusion 使用稱為磁化目標(biāo)聚變 (MTF) 的等離子體約束方法，該方法依賴于在脈沖基礎(chǔ)上運(yùn)行的簡單電磁體來實(shí)現(xiàn)聚變。該過程可以在一個循環(huán)中重復(fù)。

它是這樣工作的：

? 容器中裝滿液態(tài)金屬，將其旋轉(zhuǎn)直至金屬形成空腔。? 氫等離子體被注入到產(chǎn)生的空腔中。? 等離子體被壓縮并加熱到超過 1 億攝氏度，然后發(fā)生聚變。

MTF 等離子注射器由電磁鐵供電。由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，注射器會產(chǎn)生一個等離子體環(huán)，該環(huán)會產(chǎn)生磁場，從而形成一團(tuán)粒子。等離子環(huán)被壓縮到應(yīng)該發(fā)生核聚變的溫度和壓力。等離子粒子沿著磁場線移動，然后在不與墻壁碰撞的情況下循環(huán)。磁場防止熱聚變等離子體與液態(tài)金屬碰撞并冷卻。隨著等離子核心升溫，磁場起到良好的熱絕緣體的作用。

根據(jù) General Fusion 的說法，MTF 有四個關(guān)鍵優(yōu)勢：

?材料耐用性。液態(tài)金屬襯里保護(hù) MTF 結(jié)構(gòu)免受聚變反應(yīng)釋放的中子的影響，克服了面向等離子體材料的結(jié)構(gòu)損壞問題。

?燃料生產(chǎn)。融合過程首先用液態(tài)金屬填充罐，旋轉(zhuǎn)金屬直到形成空腔。General Fusion 將氫等離子體注入空腔。

?能量轉(zhuǎn)換。在試點(diǎn)工廠中，熱量將從金屬中提取并用于制造蒸汽。蒸汽將驅(qū)動渦輪機(jī)并產(chǎn)生電力。

?能源經(jīng)濟(jì)學(xué)。General Fusion 聲稱 MTF 易于制造和擴(kuò)展，因?yàn)樗褂煤唵蔚碾姶朋w并且不需要昂貴的激光器。

圖 4：過熱等離子體是實(shí)現(xiàn)聚變能量的關(guān)鍵。（來源：通用融合）

與此同時，F(xiàn)irst Light 使用基于慣性約束的技術(shù)，其目標(biāo)是通過快速壓縮聚變?nèi)剂喜⒗萌剂系膽T性來維持這些條件足夠長的時間以激活聚變反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)聚變條件。

很難完善需要將原子加熱到太陽溫度更長一段時間的過程，特別是如果原子必須長時間保持在該溫度下。First Light 通過將燃料引向快速射彈來縮短保持溫度恒定所需的時間；結(jié)果，融合過程發(fā)生在幾分之一秒內(nèi)。First Light 認(rèn)為它的方法將避免聚變反應(yīng)堆建造中一些最困難的方面。

時間表

如此處所述，沿著幾條研究路線前進(jìn)，全球?yàn)閷?shí)現(xiàn)可行的基于聚變的電力所做的努力預(yù)計將在一到二十年內(nèi)取得成功。那是一段相當(dāng)短的時間，我們記得最早對聚變的科學(xué)研究可以追溯到 1930 年代，托卡馬克解決方案誕生于 1950 年代。

審核編輯 黃昊宇