新一代核聚变设备

美国能源部普林斯顿等离子体实验室（简称PPPL）的物理学家们近日在期刊《核聚变》（Nuclear Fusion）上发表了一篇论文，公布了他们研发新一代核聚变设备的计划。“我们希望能为未来的发电厂提供新的发电途径。”该研究的主要作者乔纳森·梅纳德说道。他同时也是PPPL实验室前不久刚刚完成的“国家球形托卡马克实验升级”（简称NSTX-U）项目的项目主管。此次升级耗资约9400万美元（约合6.27亿人民币），由美国能源部科学办公室出资赞助，于2015年开始运作。

PPPL实验室和英格兰的卡拉姆都已经拥有了球形托卡马克装置。这些托卡马克（或者说核聚变反应堆）或能为我们进行核聚变的下一步研究提供思路，帮助科学家设计出新型核聚变装置，作为商用核聚变发电厂的试点工厂进行发电。

研究人员称，PPPL实验室的托卡马克装置在升级之后，能量更加强大，同时卡拉姆的兆安球形托卡马克（简称MAST）设备升级也即将完成，这都将使我们朝着商用核聚变发电厂的建成更进一步。PPPL实验室主管斯图尔特·普拉格指出，NSTX和MAST装置“将进一步推动物理学的发展，增进我们对高温等离子体的了解，并为核聚变的发展打下科学基础。”

物理学上的挑战

然而，这些装置也面临着许多物理学上的挑战。例如，当超高温等离子体粒子暴露在强大电磁场中时，会出现剧烈的波动，这些装置必须对其加以控制。此外，它们还必须仔细地控制等离子体粒子与四周围墙间的关系，防止等离子体变得密度过大、或者受到了污染，从而阻碍核聚变的进行。PPPL实验室、卡拉姆实验室和其它实验室的研究人员都在努力寻找解决这些挑战的方法，以便更好地研发新一代核聚变装置。

球形托卡马克的形状如同带核的苹果。而传统的托卡马克则更像甜甜圈，比球形托卡马克要矮胖一些。球形托卡马克可以在相对较弱、成本较低的磁场中产生高压等离子体（超高温的带电气体，被视作物质的第四种状态，是核聚变反应的关键条件）。这种特殊的能力将帮助科学家开展新一代核聚变实验，对国际热核聚变实验堆（简称ITER）加以补充。ITER位于法国，由包括美国在内的35个国家共同修建，用于研究核聚变的可能性。ITER是一台甜甜圈状的托卡马克。等修建完成之后，它将是全球体积最大的托卡马克。

“我们之所以要研发球形托卡马克，主要是想减小利用托卡马克进行核聚变的成本。”英国原子能总署最新任命的主管、卡拉姆科学中心磁约束聚变研究计划的带头人伊安·查普曼说道。托卡马克中心孔洞的大小是问题的关键。在球形托卡马克中，这个孔的大小只有传统托卡马克的一半，因此可以利用相对更弱的磁场来控制等离子体。孔洞缩小之后，还可以与用于产生氚（氢的一种同位素）的系统兼容。在下一代托卡马克中，氚将与氘（氢的另一种同位素）产生核聚变反应。

在试点发电厂中，研究人员希望能用超导磁体来代替核聚变装置中的铜磁体。超导磁体的效率比铜磁体高得多，但需要用更厚的防护罩来保护。不过，高温超导体近期取得了一定进展，或能大大缩小超导磁体的厚度，从而减少所占空间，也能大大降低机器的体积和造价。

研究人员还在论文中描述了一种名叫“中心束注入装置”的设备，不需要利用托卡马克中的高温线圈，就能够启动和保持等离子流。中心束注入装置会把高速运动的中性原子射进等离子体中，并对约束和控制高温等离子体的磁场加以优化。

全球最大的“仿星器”核聚变反应器

2016年早些时候，科学家成功启动了全球最大的“仿星器”核聚变反应器（Stellarator）。该反应器名叫“Wendelstein 7-X”（简称W7-X）。它可以耐得住等离子体的超高温考验，每次时间可超过30分钟。核聚变反应堆（如W7-X）利用的原料是两种不同的氢原子——氘和氚，还需要把气体注入安全壳中。接下来，科学家会为其提供能量，把电子从原子中去除，形成所谓的离子等离子体，释放出巨大的能量。上周，该反应器在十分之一秒的时间内，制造出了一种特殊的超高温气体。该反应器在产生氦等离子体时，温度接近1百万摄氏度。

1951年，在普林斯顿大学工作的莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）首次提出了仿星器的概念。当时受到材料的限制，人们认为该设计太过复杂。而如今，在超级计算机和新型材料的帮助下，研究人员终于把斯皮策的设想变成了现实。

在托卡马克中，研究人员用两组磁铁来约束等离子体。一组为外部装置，围绕着真空室，另一组则是内部变压器，用于驱动等离子体中的电流流动。这样一来，中心的磁场就会强于外部，因此托卡马克中的等离子体会朝着外壁移动，一旦撞上便会破裂。而在仿星器中，等离子体由外部磁线圈进行约束。这些磁线圈会在真空室内部周围产生弯曲的磁场线，从而牢牢地控制住其中的等离子体，不让它们接触到容器四壁。

该装置的装配时间长达110万小时，利用了世界上最复杂的机械模型。2015年六月，人们对W7-X核聚变装置中的磁场进行了测试，远远早于原本预计的时间。测试结果显示，用于约束等离子体的“磁场笼”完全符合科学家的预料。

科学家希望，如果它的工作时间能进一步延长的话，最终能够为我们带来无限清洁、廉价的能源供应。“我们对此非常满意。”W7-X反应堆项目负责人汉斯·史蒂芬·波什博士在实验的第一天说道。“一切都按照计划进行。”

“我们都知道全球发展的趋势是什么，新兴经济体和新兴国家都对能源有着迫切的需求。”联邦教育和研究部部长约翰娜·万卡指出，“因此我们需要通过研究，拓宽能源获取渠道。渠道之一就是核聚变反应。W7-X仿星器是至关重要的一步，能让我们更好地对核聚变进行评估。”

在下一个任务中，科学家将设法延长等离子体放电的时间，并找出利用微波制造和加热氦等离子体的最好方法。研究人员称，该装置或能帮助我们将核聚变变为现实。让反应器长时间保存超高温等离子体一直是科学家追求的目标，一旦成功，科学家便能为我们提供取之不尽、用之不竭的能量。

新研究认为核聚变反应堆在经济上可行

根据新的研究，用核聚变反应堆发电几十年内可能会在经济上可行，决策者应该用它们来替代传统的核电站。

牛津Durham大学和Culham聚变能中心研究人员分析了核聚变反应堆的经济性，首次在超导技术方面的取得最新进展。他们在对建造、运行和拆除聚变反应堆研究后表明聚变核能相对于传统裂变核能的经济可行性。

早期的研究发现，一个聚变能电厂的发电价格，与裂变发电厂的发电价格相当，证明了使用新的超导技术的新优势。这项研究发表在聚变工程与设计杂志上。

Durham大学材料物理中心的Damian Hampshire教授说，很显然，我们做出的是假设，但我们能说的是，我们认为聚变发电不会比裂变发电贵很多。在一两代人的时间里，核聚变反应堆可以提供几乎无限的能源供应，并且导致全球变暖或产生有害物的副作用不会太大。

核聚变反应堆通过给等离子体以约1亿摄氏度加热，使氢原子熔合在一起，释放能量的方式发电。这不同于裂变反应堆，裂变工作原理是通过低得多的温度拆分原子。

聚变反应堆相对于裂变反应堆的优点在于，它们几乎不产生放射性废物。这意味着像切尔诺贝利或福岛县灾害是不可能发生的，因为等离子一旦溢出就失效了。聚变能在政治上也更安全，因为反应堆不会产生扩散核武器的武器级产品。它的燃料是氘，或是从海水提取的重水，氚是在反应器内产生萃取的，所以供应方面的安全问题也不存在。

为测试聚变反应堆，10年前在法国南部开始建设有一个国际热核实验反应堆。工程建设从2005年开始，8年～10年完成，最终总投资预计超100亿美元。这将是除国际空间站外规模最大的国际科技合作项目。

Hampshire教授说，他希望该分析结果将帮助说服政策制定者和私营部门在聚变能领域更多地投资。计算聚变反应堆的成本非常复杂，因为在原料成本和汇率不断变化。我们早就知道了聚变反应堆是可行的，但因为还有些技术没有公关，以及成本的不确定性，因此许多人都不信。我们已经有了有力的论据，由最可靠的数据支持，即聚变发电站可以很快在经济上可行。我们希望这笔投资，可以克服余下的技术挑战，并加快规划过程。

英国能源计划理事会重点关注在高温超导体的最新进展。这些材料可用于建造强大磁铁，被称为tokamak，在聚变反应堆的核心部位，使得容器中的高温下等离子体保持原位。

这项技术还意味着超导磁体可以不用建一大块，而是分成几块。这将意味着，超导磁体在放射性环境中的维护成本会便宜很多。

当分析裂变电站的建设、运行和拆除的成本时，需要考虑到处理裂变电站相关的放射性废物的成本，而聚变电站放射性废物的处理则简单得多。

聚变能商用——人类新一轮的创造不可能

从先前做裂变压水堆到现在的聚变研究，有一种很深刻的体会：我们在努力研究核裂变严重事故，裂变乏燃料后处理，轻水反应堆电厂运行安全，等等。感觉在倾尽全力去治愈一个有着先天缺陷的小孩，然后自然界的种种未知超基准事故会有意无意的激发这个小孩的野性，面对挑战我们时常手足无措。于是我们求助于聚变能，完美的先天条件，可是却对生存环境无比挑剔。我们殚尽竭虑为之创造一个稳定的生存环境，比如tokamak，比如stellarator。然而，然而大家都知道的。

可以说，聚变能的利用是人类历史上所遭遇的最大的挑战之一。

时常有人问，你们永远的五十年的核聚变到底现在发展到什么阶段了，啥时候能发电啊？我不是聚变大牛，没有高瞻远瞩纵横古今的全局眼光。只能拿历史上另外一个人造奇迹来类比：载人飞行。

为何要选载人飞行来作为类比对象呢？

首先，载人飞行理念的萌生发生在100多年前，那时候的世界是如此不同，以至于飞行被看做是异想天开，正如现在的聚变能利用被嘲讽为痴人说梦。

其次载人飞行实际上与一项普通的技术发明有本质不同，需要深刻的各方面的理论支持，比如空气动力学，比如材料学等等。与之类似，聚变发电需也需要一系列的理论基础，包括等离子体物理，流体力学等。

此外，二者的实现也都需要技术领域的全面支持。

基于以上几点，在目前我的认知之下，这样的阶段横向类比或许能回答前文提到的聚变能发展阶段问题。

19世纪末期，人类已经掌握了热气球飞行，但是完全受控制、附机载外部动力、机体比空气重、持续滞空不落地的飞行器依旧遥不可及。然而，仍然存在各种证据证明这种飞行器是存在的，比如古老的风筝，比如各种鸟类，等等。与之类似，现在这个年代我们也能很明确看到聚变能存在的事实证据，比如恒星聚变能，甚至很多个人爱好者在车库里实现核聚变反应。实际上在美国，有统计的出于个人爱好而建立的聚变装置超过75个，其中年纪最小的聚变装置拥有者仅仅14岁。

与此类似，150多年前，也存在这么一批载人飞行的狂热爱好者，1890年初，他们在报纸杂志的文章以及德国Otto Lilienthal的飞行器概念图，1896年5月史密斯索尼安学院的Samuel Langley的蒸汽飞机模型成功试飞、紧接着芝加哥工程师和致力于飞行研究的权威Octave Chanute在密歇根沙丘和湖边试飞了几部飞机模型，这一连串的事件引起了莱特兄弟的关注。而之前莱特兄弟花费了大量时间学习风筝式的飞行器。

反观我们现在的聚变装置，实际上也是路线不一，而且致力于各自装置路线的研究单位研究者都义无反顾的认为自己的装置路线是正确的，而其他装置方案则是不具备实现可能性。

总体来看，目前的各种装置归根结底来说就是两条路线，磁约束和惯性约束，而其政府主导的代表性装置分别为ITER和NIF。或许我们实现商用核聚变多年之后回看聚变实验装置，就像我们现在看19世纪末的飞行器实验装置一样不可思议。

球型托卡马克的春天

我们知道，磁约束核聚变就是利用磁场约束聚变燃料，即等离子体（主要是氘氚），使之在超高温（几千万摄氏度甚至过亿度）下发生聚变反应；与此同时必须保持远离真空室（反应腔体）壁。目前这方面的主流研究围绕在“托卡马克”装置展开。

托卡马克（Tokamak）装置是俄罗斯最初做出的设计，经过几十年的发展，目前主要运行思路大概情况是：

位于真空室径向芯部的欧姆线圈（中心螺线管）在励磁完成后反向运行击穿氘氚气体产生等离子体；

真空室外围的极向场线圈（俗称大线圈）控制等离子体的慢速变化；

而真空室内的快控线圈则对等离子体在拉长过程（理论和实验研究表明对径向已经稳定的等离子体实施拉长动作可以提高等离子体反应参数）中产生的快速垂直不稳定性做出快速响应。

在等离子体可控状态下，通过各种辅助加热手段，比如电子回旋、微波加热和目前最先进的中性束注入，对等离子体进行加热，使之达到数千万度超高温，基于此发生聚变反应。

在托卡马克的工程设计以及建造中，超导线圈是实现击穿等离子体和高效等离子体控制的关键技术，而建造成本则是民间资本导入聚变领域的壁垒。

基于此，Dr David Kingham和Dr Mikhail Gryaznevich共同创立了Tokamak Energy，前者是理论物理学博士，后者作为首席科学家则是著名的紧凑型托卡马克专家。公司的主要员工来自于位于牛津附近的卡勒姆核聚变国家实验室和ITER，而卡勒姆则托管着欧洲目前最大的托卡马克实验装置“欧洲联合环（JET）”。因此Tokamak Energy公司毋庸置疑是有相当的技术实力的。比如Dr Valery Chuyanov, ITER的前任执行副总干事，Dr Alan Costley，ITER诊断系统主管，等等。

目前主流的托卡马克尺寸都比较大，比如国家实验室级别的大型托卡马克装置（中国的HT系列，包括EAST，HL系列，日本的JT，美国的DIII-D），而基于多国合作的“ITER”则更大。Tokamak Energy在财力人力上无法与之相比，因此其聚变实现手段是紧凑型托卡马克装置，主要目标技术则是将超导技术与紧凑的球型托卡马克技术融合。这个理念与MIT等离子体科学与聚变中心主任Dennis Whyte教授于2015年公布的ARC（三个字母分别代表负担得起、可靠、紧凑）装置不谋而合，ARC装置也使用高温超导磁体，是个模块式、球形托克马克聚变堆。

球形托克马克装置设计是上个世纪90年代由卡勒姆聚变能源中心开发设计的，美国的橡树岭等著名实验室也有大量研究。而Tokamak Energy技术主任AlanSykes正是是这个项目背后的推手。

球马克装置能更高效地利用磁场，中心磁场最强，“固有地”紧凑（在体积上一般来说仅仅只有ITER或者JET的1-10%大小）。从历史的观点说，这种优势也有局限性：机器的中心没有空间，磁性和相关的防护屏蔽和温度控制没有多大的余地。但现在，“高温”超导技术快速进展，可能在温度大大高于绝对零度和强磁场内实现零电阻大电流，减少了冷却和与高能中子相关的防护问题。高温超导方面，最近的研究集中于稀土钡铜氧化物（REBCO）——第二代高温超导材料。比如英国杜伦大学和卡勒姆聚变能源中心团队的相关研究给聚变经济带来了一线曙光。

讲到这里我们便不难理解题记下Dr David Kingham的那段话，通过降低聚变装置建造成本以期达到降低民间力量导入托卡马克领域的资本壁垒。毕竟，到目前为止，大型托卡马克实际上是被动“拒绝市场”的。Dr.Robert L. Hirsch在2016年初的Power杂志上撰文指出：几十年前的的ITER初始堆芯设计与PWR（压水反应堆）比较表明，这个托克马克装置大致昂贵60多倍，显然完全超出了商业可行的范围。而经济利益则是驱动资本市场的无形之手。

TokamakEnergy的计划是把聚变能源的技术理论研究转变为一系列可达的工程挑战，旨在５年之内实现聚变功率增益，10年之内首次发电，15年之内建成10万千瓦的电厂，并网发电。截止目前为止Tokamak Energy已经取得了如下进展：

首次证实了高温超导（HTS）磁体在托卡马克上面应用的可行性；

募集了私有投资1500万美元，国家项目基金80万美元；

建成并且运行ST25 1.0，其等离子体运行时间达到20秒；

建成世界上首台高温超导磁体球马克ST25 1.2 HTS；

ST25 1.2 HTS在Royal Society Summer Science Exhibition 2015上实现等离子体持续运行29小时；

困难需要时间克服，并且任重而道远，但是毕竟Tokamak Energy公司的目标是清晰可见的，其发展思路值得我们去思考。