困难重重的MIT 15年核聚变之梦 

Commonwealth Fusion Systems计划利用全新的超导磁体技术建造商业化的核聚变反应堆。

人们距离用上核聚变能源总还要二三十年。多年来，人们建造又关闭了许多实验性的聚变反应堆，在一些方面缓慢地推进着这一领域的发展，却仍旧与终极目标相距甚远：通过可自持的氢原子核聚变产生廉价又丰富的能源。

如今一家衍生于MIT的公司想要使用一种新型的高温超导磁体来加快实用型核聚变反应堆的研发。位于美国马萨诸塞州剑桥市的Commonwealth Fusion Systems（CFS）发布了这一声明，并且引起了轰动。CFS宣称将与MIT合作，以期在15年内实现核聚变发电厂——这一时限比其他核聚变计划提前了数十年。

CFS最近收到了一笔来自欧洲最大能源公司埃尼集团五千万美元的投资，它宣称它将建立一个容量为200兆瓦电力（200 MWe）的商用核聚变反应堆。传统的采用压水反应堆（PWR）的核裂变发电厂容量可达1000兆瓦电力（1000 MWe），与之相比CFS的输出容量并不高，但CFS认为在现如今的能源市场上大型发电厂耗费甚巨，而小型发电厂更有竞争力。

可以肯定的是，从现在到CFS期望其反应堆能够实现商业化的2033年，这家公司将面对很多挑战。这些挑战包括以下关键技术难点：制造并测试新型的超导磁体，并用来建造一个CFS称之为SPARC的实验性反应堆；研究如何运转SPARC以令其中的核聚变反应持续地产生剩余能量，这是任何一个核聚变反应堆都要面对的最大挑战之一；最后是将实验装置扩展成一个更大的、工业化的核聚变发电厂。

以上每一步都需要克服大量的科学与工程难题，这些难题要么从未遇到过，要么已经难住了全世界一些最聪明的物理学家与核工程师。CFS与MIT最终能控制核聚变能量吗？或许可以。能在15年内实现吗？大概不行。

“核聚变研究仍然是研究核聚变。”罗伯特·罗斯纳（Robert Rosner）说。他是芝加哥大学（University of Chicago）的物理学教授，并且是阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的前任主管。“要实现核聚变发电，得到一个实用的、可产生能源的反应堆并不是一个工程难题，而是一个基础学科的难题。”

大部分实验性的核聚变反应堆都基于前苏联设计的托卡马克（tokamak）装置。这一装置在甜甜圈形状的空间内用强磁场将一大片热电离的气体或等离子体约束起来。这能够产生极高的温度——超过1亿摄氏度——来让氢原子核四处运动并发生碰撞，聚变成更重的物质，比如氦原子核。这一过程能释放出大量的能量。（核聚变是恒星——比如太阳——的能量来源，这些恒星的引力能够挤压氢原子核使其聚变为氦原子核。）

CFS与MIT计划采用一种全新的技术来建造托卡马克，这种技术以前从未应用在核聚变中。该技术利用一种相对新型的高温超导材料来产生磁场，这种超导材料由包裹着钇钡铜氧化物（YBCO）的钢带制成。这种材料的优点是它能在与其他设备相比更小的装置中产生强磁场。

CFS预估SPARC只有ITER四分之一的尺寸（和1/65的体积）。ITER正在法国建造，是世界上最大的实验性托卡马克，重达23000吨。但是SPARC能够产生最大22特斯拉（Tesla）的磁场，几乎是ITER所能产生的12特斯拉的两倍。

虽然MIT对托卡马克磁装置有开拓性的研究并且一直坚持探索利用强磁场来实现核聚变，但是从没有人用YBCO来制造如此大尺寸和磁场强度的超导磁体，ITER的运营与科学主管蒂姆·卢斯（Tim Luce）说到。“这会带来许多与之相关的技术难题。”他说。

MIT计划在设计、制造和测试磁体上花三年时间。相比之下，ITER的磁体需要18个由铌锡和铌钛合金制成结构单元，它仍旧在建造中，并且最终的组装日期定在2022年（ITER项目启动于2007年）。

还有一个问题是燃料。太阳通过其强大的引力和压力来使普通的氢原子发生核聚变。但氢气在核聚变反应堆中效果不好，因为原子核无法有效地发生碰撞。

为了提高核聚变几率，等离子物理学家倾向于使用两种氢元素的同位素：海洋中富含的氘元素，以及因半衰期约为12年从而在自然界中很稀有的氚元素。被称为D-T的氘氚混合物在短时可持续核聚变反应中潜力最大，其核聚变反应能持续数分钟。但采用该混合物有一个缺点：反应中会产生大量的自由中子，这种电中性的粒子能够摆脱托卡马克磁场的约束。中子流会与反应装置的金属原子核发生反应，产生的新同位素，发出有害辐射或令反应装置的材料变脆并且容易产生裂缝。

“任何托卡马克装置在敢于使用氚元素前都会运转数年来优化其所使用的等离子体。”丹尼尔·杰西比（Daniel Jassby）说到。这位物理学家在1999年前是普林斯顿等离子物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory）的主要研究人员。

已经采用D-T燃料——或计划使用这种燃料——的托卡马克设计者们想出了创造性的办法来解决中子问题。比如ITER的工程师们设计了一种放在装置内部、厚度为1米的钢制水冷结构。在此之前无论是普林斯顿等离子物理实验室在1982年到1997年运行的托卡马克核聚变测试反应堆（Tokamak Fusion Test Reactor），还是英国牛津郡卡勒姆聚变能源中心（Culham Centre for Fusion Energy）运行的欧共体联合聚变中心（Joint European Torus），都只简单地用厚混凝土保护层将整个聚变装置围起来。

CFS与MIT希望开发一种熔盐包层来围住等离子体同时作为中子吸收层。虽然循环熔盐系统已经用于核裂变反应堆，但没有人在托卡马克中开发过类似技术。

CFS的CEO罗伯特·穆贾德（Robert Mumgaard）在给《科技纵览》（IEEE Spectrum）的一封电子邮件中写道，MIT与CFS的合作不同于关注基础研究的政府资金主导项目。在此次合作关系中，MIT将负责开展基础与应用研究而CFS负责将成果商业化。

“通过加入只关注推销产品的私人企业，研究方与公司方能够聚集更多的人力和财力资源，从而实现发展并加速走向成功。”他说。

“我们认为MIT在15年内实现核聚变发电厂的计划非常有野心，如果不是野心太过的话。”ITER的卢斯说，“但我们祝贺任何人的成功，我们都有通过核聚变获得能源的梦想。”

关于作者：

特雷西·施泰德特

“我是一名有超过20经验的科技记者，报道绿色科技、再生能源、可持续发展、食品创新、城市韧性、人工智能、生物技术等等领域。我做过Seeker、Discovery、MIT Technology Review、Scientific American Explorations、Astronomy和Earth的编辑。我也做过Earther、Scientific American、Live Science、IEEE Spectrum、How Stuff Works、Audubon、Fast Company、Slate、MIT Technology Review、Space.com、Astronomy和Earth的自由记者，而且写过儿童科学图书Reader’s Digest Pathfinders系列的Rocks and Minerals。2013年我成立了位于美国波士顿的文字工作室Fresh Pond Writers。”

（翻译：常灏杰；审校：戴晨）