未來“人造太陽”發電，電費不要錢，但要等到2050年之後
劃重點
- 1可控核聚變有可能産生接近零碳排放的無限清潔能源，卻不會産生與今天的核裂變反應堆相關的危險放射性廢物。
- 2科學家預測，當人類學會如何以可控和持續的方式進行核聚變時，電力将變得“便宜到不需要計量、随意使用的程度”。
- 3科學家預計，可控核聚變電廠将首先取代仍然活躍的燃煤電廠，然後是石油和天然氣發電廠，最後是核裂變電廠。
- 4可控核聚變現在看起來比10年前更有可能成為未來的能源來源，但在未來10到20年裡依然難以實作，是以我們還需要依賴太陽能、風能、核裂變能等。
去年12月，緻力于可控核聚變研究的實體學家聲稱取得了重大突破。美國加州國家點火裝置實驗室（NIF）的一個研究團隊宣布，他們從可控核聚變反應中提取的能量超過了觸發該反應的能量。這是全球首次，也是實體學邁出的重要一步，但距離将核聚變作為一種實際能源利用起來的目标依然遙遠。這一高調聲明引發了核聚變研究領域的慣性回應：支援者對此贊不絕口，反對者充滿質疑。
這種激烈的對立反應凸顯了核聚變研究領域的高風險。世界越來越迫切地需要豐富的清潔能源，以緩解燃燒化石燃料造成的氣候危機。可控核聚變有可能産生接近零碳排放的能源，卻不會産生與今天的核裂變反應堆相關的危險放射性廢物。自20世紀50年代以來，實體學家始終在研究可控核聚變能，但令人沮喪的是，将其轉化為實用能源仍然遙遙無期。
可控核聚變能會成為我們這個能源緊缺的星球上重要的能源來源嗎？如果是的話，它會及時到來以幫助拯救地球嗎?
第二個問題是該領域為數不多有明确答案的問題之一。大多數專家都認為，在2050年左右之前，我們不太可能從可控核聚變中産生大規模的能源。考慮到本世紀全球氣溫的上升可能在很大程度上取決于我們在那之前對碳排放做了什麼或沒做什麼，可控核聚變不太可能成為“救世主”。
美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的項目負責人奧馬爾·哈瑞肯（Omar Hurricane）說：“我确實認為，可控核聚變現在看起來比10年前更有可能成為未來的能源來源，但在未來10到20年裡依然難以實作，是以我們需要其他解決方案。”
是以，到本世紀中葉實作脫碳将需要依賴于其他技術，比如太陽能和風能等可再生能源、核裂變能，或許還有碳捕獲技術。然而，放眼未來，我們有充分的理由認為，到本世紀下半葉，當更多的開發中國家開始需要西方那樣的能源預算時，可控核聚變能将成為能源經濟的關鍵部分。解決氣候變化問題不是一蹴而就的事情。如果我們能在不徹底改變氣候的情況下渡過未來幾十年的瓶頸，未來的道路可能會更平坦。
01 在地球上制造恒星，電力變得超便宜？
幾乎與核裂變一樣，可控核聚變也被認為是一種潛在能源。1945年末，在曼哈頓計劃的一次彙報會上，意大利實體學家恩裡科·費米(Enrico Fermi)設想了用于發電的聚變反應堆。費米曾在二戰期間上司了在芝加哥建造第一座裂變反應堆的項目。幾年後，科學家們發現了如何釋放可控核聚變能的方法，但隻是在不受控制的世界末日般的氫彈爆炸中才能成功。有些科學家預測，一旦我們學會了如何以可控和持續的方式進行這一過程，電力将變得“便宜到不需要計量随便用的程度”。
圖1：核裂變和可控核聚變的基本組成部分
但事實證明，實作目标的挑戰比預期要大得多。哈瑞肯說：“這太難了！我們基本上是在地球上制造恒星。”
兩個氫原子聚變生成氦是為太陽和其他恒星産生巨大能量的主要過程。當這種輕原子核互相結合時，會釋放出巨大的能量。但是由于這些原子核帶有正電荷，它們彼此排斥，需要巨大的壓力和溫度才能克服靜電屏障，使它們融合。如果科學家能夠控制聚變燃料，包括氘和氚（氫的兩種重同位素）的等離子體混合物，反應中釋放的能量就可以實作自我維持。但你如何在大約1億開爾文的溫度下裝瓶等離子體，這比太陽中心的溫度高幾倍？
圖2：D-T反應的基本構成，該反應使用氘和氚來産生聚變燃料
沒有任何已知材料能承受如此極端的條件，即使是極耐熱的金屬（如鎢）也會在瞬間被融化。長期以來，反應堆設計最青睐的解決方案是磁限制：将帶電等離子體儲存在由強磁場形成的“磁瓶”中，這樣它就永遠不會接觸聚變室的牆壁。最流行的設計被稱為托卡馬克（Tokamak），由蘇聯科學家在20世紀50年代提出，它使用環形容器。
圖3：托卡馬克反應堆的基本設計
這個過程需要精細的控制。熾熱的等離子體不會靜止不動，它往往會産生很大的溫度梯度，進而産生強烈的對流，使等離子體變得動蕩不安，難以控制。這種不穩定性，類似于微型太陽耀斑，可以使等離子體接觸到牆壁，進而破壞它們。
其他等離子體的不穩定性可以産生高能電子束，在反應室的包層上穿孔。抑制或控制這些波動始終是托卡馬克核反應堆設計者面臨的主要挑戰之一。普林斯頓等離子體實體實驗室主任史蒂文·考利(Steven Cowley)說：“過去10年之是以能取得巨大成功，主要是因為對這種湍流進行了詳細的定量研究。”
磁限制核聚變的最大障礙之一是，需要能夠承受來自聚變等離子體、經過嚴格處理的材料。特别是，氘-氚可控核聚變會産生強烈的高能中子流，這些中子與金屬壁和包層中的原子核碰撞，造成微小的熔化點。然後金屬再結晶，但被削弱，原子從它們的初始位置移動。在一個典型可控核聚變反應堆的包層中，每個原子在反應堆的生命周期内可能會移位大約100次。
圖4：等離子體在國家點火裝置(NIF)的靶室内流動
如此強烈的中子轟擊産生的後果目前尚不清楚，因為聚變從未像運作中的反應堆所需的那樣持續很長時間。英國原子能機構(UKAEA)的首席執行官伊恩·查普曼（Ian Chapman）說：“在營運核電站之前，我們不知道也不會知道材料的降解和壽命資訊。”
然而，對這些退化問題的重要見解可能會從一個簡單的實驗中收集到。這個實驗産生了強烈的中子束，可以用來測試材料。這樣的設施主要基于粒子加速器項目，被稱為國際聚變材料輻照設施，用于示範導向中子源，将于本世紀30年代初在西班牙格拉納達開始運作。美國也有意建設類似的設施，稱為聚變原型中子源，但尚未獲得準許。
目前還不能保證這些材料問題能得到解決。如果它們被證明是無法克服的，一個替代方案是用液态金屬制造反應堆壁，液态金屬不會被熔化和再結晶破壞。但普林斯頓等離子體實體實驗室主任考利說，這會帶來一系列其他技術問題。
另一個主要挑戰是制造可控核聚變燃料。地球上有豐富的氘，這種同位素占天然氫的0.016%，是以海洋裡确實充滿了氘。但是氚自然形成的數量很少，而且它的半衰期隻有12年，是以它會不斷消失，必須重新生産。原則上，它可以從可控核聚變反應中“孕育”出來，因為聚變中子會與锂反應生成它。大多數反應堆設計都包含了這個孕育過程，方法是在反應堆室周圍包裹一層锂。盡管如此，這項技術還沒有得到大規模的驗證，沒有人真正知道氚的生産和提取是否有效，或者效果如何。
02 打造可控核聚變電廠原型展開“月球競賽”
世界上最大的可控核聚變項目位于法國南部的ITER(拉丁語意為“道路”，最初是“國際熱核實驗反應堆”的首字母縮寫)，它使用等離子體半徑為6.2米的大型托卡馬克，整個機器将重達2.3萬噸。如果一切按計劃進行，在歐盟、英國、中國、印度、日本、南韓、俄羅斯和美國等國支援下，ITER将成為第一個以發電廠規模(約500兆瓦)展示持續電力輸出的核聚變反應堆。
ITER的建設從2007年開始，最初的希望是在2020年左右在聚變室中産生等離子體，但ITER遭受了多次延誤，而估計的54.5億美元成本已經翻了兩番。今年1月，該項目的負責人宣布遭遇了新挫折：計劃于2035年開始營運的項目可能會推遲到2040年左右。ITER不會産生商業電力，正如它的名字所說，它是一個嚴格意義上的實驗機器，旨在解決工程問題，并為可行的發電廠鋪平道路。
有些人認為這是一個笨重的龐然大物，沒有成功的可能，這種新的阻礙引發了另一輪對可控核聚變的懷疑。但哈瑞肯說，這樣的問題是意料之中的。他說：“ITER受到了很多打擊，但我們需要給它們一個喘息的機會，讓他們解決問題。”
查普曼表示同意。他說：“可以預見，在政治上和技術上都會出現問題。這個項目正在做令人驚歎的事情，包括建立以前不存在的供應鍊。”他承認，延遲令人感到失望，“但我不認為我們會在回顧ITER時認為這是一個錯誤。我們會認為它在可控核聚變的起源中非常重要。我相信這是可行的。”
用于發電的托卡馬克核反應堆可能不需要像ITER那樣龐大，當然也不可能像ITER那樣昂貴。最近，人們對更小的球形裝置越來越感興趣，其中一個被稱為球形托卡馬克能源生産(STEP)，英國原子能機構UKAEA計劃将其作為一個與ITER并行開發的試點電廠。
圖5：STEP和ITER反應堆的設計和規模
球形設計概念已經通過名為Mega Amere的球形托卡馬克裝置進行了原理驗證。該裝置于1999年至2013年期間運作，由UKAEA和歐洲原子能共同體共同監督。這些較小的機器具有更高的能量密度，是以熱損壞的風險也更大，特别是從“排氣”系統中提取熱乏燃料。一個改進的版本MAST Upgrade于2020年啟動，并且能夠比原始版本高效地提取熱量約20倍。查普曼說：“這确實為構思緊湊型發電廠開辟了道路。”
STEP的目标是打造生産淨電力的原型電廠。它仍處于概念設計階段，但英國政府已經開始為該項目制定監管規定，這是世界上第一個可控核聚變項目，進而消除了對傳統核許可的需要。去年10月，各國上司人標明了英格蘭北部的一個燃煤發電站，該電站已經于今年3月停止營運，計劃于2024年初拆除。該基地已經有了冷卻水供應，并與國家電網和鐵路系統相連。
圖6：在國際熱核實驗堆(ITER)現場，一個極向場線圈正在接受測試，其中六個環形磁鐵将在實驗中引導等離子體
歐盟正在規劃自己的原型核聚變電廠，稱為示範核電廠(DEMO)，由歐洲聚變聯盟（EUROFusion）管理，目标是産生200兆瓦到500兆瓦的電力。歐洲可控核聚變項目經理托尼·唐納(Tony Donné)表示，該項目可能會在21世紀40年代初開始建設，“我相信我們可以在10年内制造出這樣的裝置”。
唐納補充說，南韓、日本和中國也有類似的可控核聚變電廠“墊腳石”項目，美國計劃建造一個更小的裝置，稱為聚變核科學設施。查普曼稱：“中國參與得有點晚，但現在正在大舉投資，并迅速擴大研發隊伍。它肯定在追趕歐洲和美國。”唐納認為，隻要各國繼續分享資訊，為打造可控核聚變電廠原型而進行的“月球競賽”可能是有益的。
03 初創企業大量湧現，供應鍊逐漸完善
可控核聚變也并不全是大型的國家和國際項目，小型球形托卡馬克裝置是将可控核聚變帶入私營公司手中的技術之一。幾十家可控核聚變初創企業在世界各地如雨後春筍般湧現，比如美國馬薩諸塞州的聯邦聚變系統公司(CFS)、加拿大的通用聚變公司（General Fusion）和英國的托卡馬克能源公司等。
在英國原子能機構的支援下，通用聚變公司剛剛開始建造示範電廠，希望到2025年投入運作。根據該公司前首席執行官克裡斯托弗·莫裡（Christofer Mowry）的說法，這将是“第一次與發電廠相關的大規模可控核聚變示範”。
與此同時，CFS與麻省理工學院等離子體科學與聚變中心(PSFC)和其他機構合作，正在建造名為SPARC的原型裝置，也計劃在2025年完成。SPARC将是一個中型托卡馬克裝置，其中等離子體被麻省理工學院開發并于2021年推出的新型高溫超導磁體産生的強磁場緊密限制。這種磁鐵被譽為磁限制聚變的重要一步，因為等離子體中的功率密度會随着磁場強度的增加而迅速增加。
SPARC團隊的目标是從等離子體中提取淨能量(輸出能量大約是輸入能量的10倍)，并産生50兆瓦到140兆瓦的聚變能量。盡管SPARC比ITER規模小得多，但PSFC的主任丹尼斯·懷特(Dennis Whyte)說，它們的使命是相似的，即解決阻礙可控核聚變商業化的科學和技術問題。它不會向電網輸送任何電力，但其目的是為麻省理工學院開發的、由CFS(考利認為迄今為止“最具影響力的公司”)推行的“負擔得起、堅固、緊湊”的聚變反應堆概念掃清道路。
考利對這樣的項目表示歡迎，但他警告說，不要把它們視為使可控核聚變成為現實能源的捷徑。他表示：“我們看到這些初創公司熱情高漲，其中很多公司的注意力都集中在問題的某個特定部分。”任何一家都不太可能在巨頭之前将可控核聚變能源技術商業化，而且許多公司可能會中途放棄。但查普曼認為，其他公司将成為有價值的專業技術和專門部件(如磁鐵)的供應商，“大多數小型可控核聚變公司最終将成為供應鍊的一部分”。
04 不同的設計
磁限制核聚變的裝置并不一定局限于托卡馬克。在20世紀50年代，天體實體學家萊曼·斯皮策(Lyman Spitzer)認為，在具有扭曲隧道壁的環形腔中，等離子體可能更有效地被容納。有了這種配置，該裝置可以利用帶電等離子體本身流動産生的磁場來限制等離子體。
圖7：仿星器反應堆的基本設計
這種設計更複雜的幾何形狀被稱為仿星器（Stellarator），在工程上很棘手，但有幾個項目正試圖完善它。一個值得注意的例子是德國Greifswald的Wendelstein 7-X仿星器，它于2015年完工，經過三年的更新後，現在再次運作。
歐洲核聚變項目經理托尼·唐納稱：“仿星器有很多優勢，但從技術上講，它是更複雜的裝置。在歐洲，我們正在研究仿星器，作為托卡馬克的後備。”這項技術仍處于相對早期的階段，是以，如果這種備份被證明是必不可少的，那麼實際可控核聚變的時間表可能會再次推遲。
國家點火裝置實驗室（NIF）的政策與所有這些項目完全不同。NIF實驗沒有使用受磁場限制的大量等離子體，而是點燃了氘和氚。在這種情況下，實驗通過突然擠壓燃料并對其進行強烈加熱來觸發可控核聚變之後，正在聚變的等離子體隻能靠自身的慣性短暫地保持在原地。這一方案被稱為慣性限制核聚變。
NIF通過将非常強的雷射束聚焦在丸狀目标上産生這些極端條件。在熱等離子體膨脹之前，聚變能會在短暫的爆發中釋放出來。是以，這種能量生産将以脈沖方式進行，燃料膠囊必須不斷地一個接一個地移動到反應室中進行點燃。大多數研究人員估計，要使這種方法成為現實，膠囊必須每秒更換10次左右。
圖8：NIF實驗中慣性限制核聚變靶的設計和尺寸
慣性限制核聚變的挑戰是艱巨的，目前世界上隻有少數幾個設施在研究它。除了最大的NIF，還有法國的Megajoule Laser設施和中國的神光三号雷射設施，俄羅斯也可能采取這種方式，但細節很難确定。發電實際上并不是NIF任務的主要部分，該設施主要是為了引發核反應，以研究和維護美國的核武器儲備。哈瑞肯說：“NIF的主要工作完全是由美國國家安全機構資助的，這不是一個核聚變反應堆，也不是為了展示任何實際意義的核聚變能量。”
要使慣性限制核聚變成為供應能量的真正競争者，還有很多工作要做。NIF慣性核聚變能源項目的負責人塔米·馬（Tammy Ma）說：“這項工作的重點主要集中在基礎科學上，我們還沒有在發電廠所需的支援技術上投入那麼多的精力。”
05核聚變發電廠還要十年建成？
考慮到可控核聚變項目的多樣性，真正能夠投入使用的可控核聚變能到底離我們有多遠？查普曼直言不諱地說：“目前還沒有任何正在進行的項目是建造能夠産生能源的核聚變發電廠。”
而真正的核聚變發電廠（不隻是原型）可能需要十年左右的時間才能建成。查普曼說：“實驗正在取得進展，而且進展令人印象深刻。但可控核聚變至少在幾年内還無法作為主要能源使用。”唐納更加直言不諱：“如果有人告訴我，他們在未來5年或10年内會建成可投入運作的可控核聚變反應堆，那他們要麼完全無知，要麼就是騙子。”
預測可控核聚變能何時到來始終都很難，但現在專家們大多同意大緻的時間表。考利說：“假設我們在21世紀30年代末建成一個試點核聚變電廠，盡管這可能會有一些進展，但這樣的電廠不太可能成為商業化的藍圖。是以，我認為從一個試點電廠到第一個商業反應堆還需要大約10年的時間。”查普曼也認為，到2050年左右，可控核聚變發電廠可能會向電網供電，然後在本世紀下半葉，尤其是2060年後，對能源經濟的重要性将穩步提高。
可控核聚變發電廠的規模可能與今天的化石燃料或核裂變發電廠差不多，但輸出的電量将達到幾千億瓦。這意味着，它們可以在相同的地點建造，以可控核聚變取代核裂變，并且所有必要的電網基礎設施都已經到位。唐納說：“你可以說，核聚變很容易插入并取代化石燃料或核裂變，這可能是一個非常平穩的過渡。”他預計，可控核聚變電廠将首先取代仍然活躍的燃煤電廠，然後是石油和天然氣發電廠，最後是核裂變電廠。
圖9：Wendelstein 7-X仿星器核聚變實驗中等離子體扭曲容器的一部分
即使可控核聚變不能使我們擺脫目前的氣候危機，但從長遠來看，它可能是在不破壞地球的情況下滿足我們能源需求的最佳選擇。“托卡馬克之父”、蘇聯核聚變夢想家列夫·阿爾茨莫維奇(Lev Artsimovich)曾經說過，隻要世界決定需要，就會有核聚變出現。
查普曼說：“當我們意識到氣候變化将成為一種生存威脅時，核聚變的出現将大大加快。”他将這種情況與新冠肺炎疫苗的快速開發相提并論。目前，我們根本沒有其他實作淨零碳排放的長期方法，特别是因為全球能源需求預計将在2050年至2100年之間增長兩倍。查普曼說，要滿足這種需求，“核聚變是必不可少的”。唐納說，風能和太陽能等可再生能源肯定會發揮作用，但它們可能還不夠。
從頭開始建設一種新型能源基礎設施既帶來了機遇，也帶來了挑戰。核裂變規劃者在設計和公共關系方面犯了一些嚴重的錯誤，但現在，新生的核聚變工業有機會從這些錯誤中吸取教訓，做得更好，尤其是考慮能源公平和正義的問題。
NIF慣性核聚變能源項目的負責人塔米·馬問道：“當我們有了這些發電廠，我們把它們放在哪裡才能為所有類型的社群提供清潔能源？我們如何建立一支多元化的勞動力隊伍？我們如何確定在建立這個行業的同時，我們正在教育訓練人們掌握未來的技能？這一次，我們至少要試着把事情做好。”（金鹿）