聚变研究中的“黑马”：替代聚变技术悄悄升温

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　　美国的三阿尔法能源（Tri Alpha Energy）公司是世界上最神秘的核聚变能源公司之一。它位于加利福尼亚欧文东部，去那里须绕过位于郊区圣塔安那山脚的办公区到达郊外，才能来到它没有任何标记的公司总部。

　　这家公司不对外开放的，任何没有签署保密协定的外人都不得入内。三阿尔法公司严格保护着它的商业机密，它甚至没有自己的网站。但漏出来的零星信息也很明显，目前这座大楼里正进行着一些美国最大的核聚变实验。它也是非传统的，这里的聚变实验装置不是环形的“托克马克”（Tokamak ）反应堆。

　　40多年来，托克马克装置一直是核聚变反应的主要研究工具。三阿尔法公司正在测试一种线性反应堆，据说它体积更小、更简单也更廉价——有望在10年多的时间里实现聚变发电商业化，这比用托克马克装置预期的要提前30到50年。

　　新型核聚变方案

　　托克马克反应堆是利用环形线圈磁场来约束等离子体，实现受控核聚变的环性容器。最初由原苏联科学家在上世纪50年代发明。托克马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托克马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

　　1954年，第一个托克马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成。1985年，在美国和前苏联倡议及国际原子能机构（IAEA）主持下，开始进行国际热核实验堆（ITER）这一重大国际科技合作项目，即是一个基于托克马克方案的项目，主要目的是实现氘-氚燃料点火并持续燃烧，最终实现核聚变发电。预计2010年建成，未来发展计划包括一座原型聚变堆，一座示范核聚变堆，到2050年以后有望开发商用核聚变堆。

　　ITER项目依托的托克马克装置由法国卡德拉克（Cadarache）公司制造，人们期望它成为第一个能从等离子燃料的可持续燃烧中产生增益能量的聚变反应堆。然而它却一再陷入延误和成本超支的泥潭。现在看起来，它的成本要超过500亿美元，是最初估计的10倍——而且在2027年之前，还无法开始它的首次加燃料实验，比原定计划落后了11年。

　　三阿尔法公司的计划听起来相当吸引人，尤其在当前时期。ITER消耗了美国核聚变能源预算的最大份额，其备选方案逐渐得不到政府支持，人们对托克马克技术也越来越失去耐心——这些都刺激了三阿尔法团队及美国、加拿大其他物理学家，转而寻求不同的解决方案。

　　在过去的十多年里，这些标新立异的科学家们创立研究公司不下一打，希望能找到聚变反应堆的替代设计方案。他们中有些已经报告了鼓舞人心的成果，还有些已筹到可观的投资。三阿尔法公司也已增加了1.5亿美元，投资者包括微软联合创始人保罗·艾伦、俄罗斯政府风投公司Rusnano等。

　　但成功也让他们对未来前景更加审慎。麻省理工学院（MIT）核物理学家杰弗里·弗雷伯格说，三阿尔法公司“要扩大反应堆规模的话，还要克服一些难题”。比如，公司必须证明它能达到10亿开氏度的高温，这是燃料点火所需的温度；还必须证明他们有实际可行的方法，把反应产生的能量转化为电力。马里兰州盖瑟斯堡聚变发电联合会（Fusion Power Associates）会长斯蒂芬·迪恩说，其他任何新型聚变能源公司也都要面对类似问题，“我认为还没到已经万事俱备，很快就能看到聚变反应演示的阶段。”

　　这些新型聚变公司能否保持势头证明创始人的英明决策？或是也像以往那些科学家一样，不过是一些的疯狂梦想？

　　仿造太阳

　　从理论上说，建造一个聚变反应堆就是要仿造一个太阳。用合适的氢同位素或其他轻元素，加热把电子从原子核附近剥离，成为一种等离子体，然后挤压这些等离子体，让它们的原子核融合在一起，使一部分质量变成能量。但在实践中，试图模仿一颗恒星会导致可怕的工程问题：困在磁场中的极热等离子常常会扭曲，就像一条被激怒的蛇，不顾一切地要逃出来。

　　长期以来，聚变研究人员更喜欢托克马克装置，认为它是控制等离子体“怪兽”的最佳手段。与以前的其他装置相比，这种反应堆实现的等离子体密度、温度和禁闭时间要高得多。物理学家也对原来设计进一步精简，并改进了托克马克控制高能等离子体的方式。

　　但从一开始，许多物理学家就想知道托克马克装置能否扩大规模，以商业化模式发电供电。这种装置极为复杂。它的环形容器缠绕着多套电磁线圈，以形成磁场来限制等离子体。还有更多线圈通过中心的洞以驱动通过等离子体的强大电流。

　　还有它的燃料是氢同位素氘（D）和氚（T）的组合（D-T）。科学家们普遍认为，对原子能反应堆来说，D-T是唯一明智的选择，因为与其他组合燃料相比，它的燃点较低，只需大约1亿开氏度，而且能释放更多能量。但反应释放的能量80%都是超快中子的形式，这会对容器壁造成巨大破坏，产生高放射性。如果要发电，必须用中子的能量来加热传统蒸汽轮机中的水，这一过程的效率只有30%到40%。

　　成本高、复杂、进展缓慢，这些问题也是惯性约束聚变所要面对的。惯性约束聚变是替代托克马克磁约束聚变的最主要方法，也获得了许多政府资助。这种方法是用高能激光束点燃冷冻的燃料丸，实现向心聚爆。惯性约束聚变的方案也已开展了几十年，如位于加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置，目前同样在为实现聚变发电的承诺而努力。