实现可控核聚变的秘密武器找到了？他们要用“超导胶带”缠出一个反应堆

美国波士顿附近，一座不寻常的建筑正从连绵起伏的群山中拔地而起。联邦聚变系统公司 (Commonwealth Fusion Systems, CFS) 的科学总监布兰登·索博姆（Brandon Sorbom）领着我从各种脚手架、叉车、焊工和油漆工的队伍之间穿过，走向这座十字形分布的建筑的中心。沿着一段楼梯下去，我们来到一个有着 2.5 米厚水泥墙的深层地下室。他指向了室内高高的天花板中央的一个大圆洞，这个洞的边缘由四根粗壮的柱子支撑着。

“若按计划进行，几个月之内 Sparc 托卡马克就将会被安置在这里。”索博姆说。在一个状如甜甜圈的真空室周围，一堆 3 米高的高温超导磁体将产生一个强大的磁场，挤压并约束漩涡状的过热氢等离子体。氢离子（主要是氢的同位素氘和氚）将被加速并剧烈碰撞，融合成氦并释放出高能中子，这个过程正是模仿了太阳燃烧的过程。

CFS 是由美国麻省理工学院（MIT）数十年来的研究成果衍生出的一家初创公司。它赶上了技术进步和企业投资激增的浪潮，成为在过去十年中涌现的各类聚变能源项目的领头羊之一。据非营利性组织核聚变工业协会（Fusion Industry Association）主任安德鲁·霍兰（Andrew Holland）称，核聚变能源公司目前已筹集了超过 50 亿美元的资金，其中大部分是 2021 年后获得的。这些公司都希望能将在 2030 年前实现正能量增益（从反应中获得比引发反应所需的能量更多的能量）。

“到那时，我们将向着零碳基本载荷电力的新时代更近一步。”索博姆说道，“我们只是希望能及时完成目标，为解决气候危机作出重要的贡献。”

CFS 的这种技术与众不同之处在于它使用了高温超导带，这种超导带分层堆叠，可以产生极强的电磁性，从而塑造并约束不规则的等离子体，并使大部分带电粒子远离托卡马克的壁面。该公司相信，用这种新方法可以建造一个高性能的托卡马克，大大降低原本的体积与成本。

目前，核聚变能源主要有两种研究路径。磁约束技术利用电磁铁约束等离子体，通常在托卡马克内部进行。惯性约束技术通常使用激光对燃料靶丸进行压缩和加热，以启动反应。

由于材料科学以及高速计算、建模和仿真的进步，这两种方法也都在加速发展。在磁约束技术领域，CFS 筹集到了最多的资金，目前已筹得超过 20 亿美元用于建设 Sparc 实验工厂。

一般来说，当冷却到临界温度以下，超导材料可以传导直流电且不会产生电阻和能量损失。高温超导（HTS）磁体，顾名思义，可以在比之前托卡马克中使用的传统超导磁体高得多的温度下显示出超导性，要知道传统超导磁体通常需要更加复杂且昂贵的液氦冷却系统。虽然“高温”一词可能会让人联想到那些会使人灼伤的东西，但 HTS 材料的工作温度范围在 20 到 77 开尔文（约-200 至 -250 °C）之间。虽然这样的温度依然很低，但仍然比传统超导体接近绝对零度的工作温度要高得多。

美国能源部（DOE）的高级顾问、首席核聚变协调员斯科特·苏（Scott Hsu）表示：“这些新材料为核聚变能源开辟了一条新的道路，因为它们除了可以在相对较高的低温下显示超导性外，还能够提供很强的磁场。”这些特性为更小、更简单、成本更低的核聚变系统提供了可能，从而能够缩短建造时间，使拆卸维护更方便。

像 CFS 这样的紧凑型托卡马克可以扭转过去 40 年以来一直主导着核聚变能源发展的趋势，即一味地建造越来越大的机器。目前最大的系统是一个名为 ITER 的国际合作项目，这是建于法国卡达拉什的一个大型托卡马克。自 2013 年开始建设以来，ITER 聚变实验（先前被称为国际热核聚变实验堆）已经消耗了世界上用于聚变能源研究的大部分公共资金。监督该项目的 ITER 组织估计，该实验已经耗费了 220 亿美元，远远超过了 2006 年最初估计的 56 亿美元。

“ITER 是一个非常令人兴奋且有价值的实验，但它的尺寸是个大问题。”索博姆说，“如果能以某种方式缩小托卡马克，它就能更快更便宜地建成。”

但事情并不会尽如人意。ITER 的长期规划和国际合作结构使其无法受益于尖端 HTS 磁体技术，而这种磁体能够让 CFS 在很短的时间内以很低的成本建造 Sparc 托卡马克，其规模仅为 ITER 的四十分之一。

像 CFS 这样的小公司，与执行着有史以来最昂贵的科学项目之一的 ITER 对抗的情节，很容易让人联想到“大卫与歌利亚”这类以弱胜强的故事。但在许多方面，CFS 的 Sparc 都站在了 ITER 的巨人肩膀上。ITER 项目大大提高了研究人员对磁约束聚变的认识，并促进了该行业高度专业化的全球供应链和劳动力的发展。事实上，CFS 的六位创始人都参与了 ITER 项目的不同方面，并为建立其物理基础做出了贡献。

六位创始人中包括了等离子体物理学家鲍勃·蒙加德（Bob Mumgaard），他开创了测量托卡马克等离子体内电流分布的方法。2015 年，蒙加德聚集了一群来自麻省理工学院的研究人员，重新思考聚变发电的方法。自 1986 年 IBM 研究人员约翰内斯·乔治·贝德诺兹（Johannes Georg Bednorz）和卡尔·亚历山大·穆勒（Karl Alexander Müller）发现高温超导体以来，这种材料一直在逐步改进。这一成就为两人赢得了 1987 年诺贝尔物理学奖。从那时起，有关陶瓷、稀土材料以及新配置的各类实验大大提升了 HTS 的性能，并提高了它们的工作温度，这也从根本上提高了高压输电线、核磁共振成像和能源存储等技术的性能。

“随着这些材料最终实现商业化，我们意识到在磁约束聚变上我们不再需要在物理上取得更多的突破，”蒙加德说，他于 2018 年共同创立了 CFS，现任公司首席执行官。“事实上，站在物理学家的角度，我们的机器看起来或许有些无聊；我们依靠的是 ITER 及其他实验已经建立起的等离子体物理学。然而，我们决定将所有风险都押在磁体技术上。理论上讲，我们可以通过强力磁场获得极高的性能。”

研究小组选择的超导材料是钇钡铜氧化物（YBCO）。为了把 YBCO 制造成带状，制造商首先需要用激光将块状的 YBCO 蒸发成烟状物，待其在钢基板上沉淀为 YBCO 薄膜，再对其进行氧化处理，将 YBCO 的结构变成能够实现超导的状态。

自从索博姆通过实验（这也是他博士论文的基础）证实了 YBCO 带可以承受从原子融合中弹射出的快中子冲击后，MIT/CFS 联合团队就踏上了收购昂贵易碎的 HTS 带，并将其绕成线圈的艰难路程。在两年多的时间里，该团队设法买到了世界上大部分 4 毫米宽的 HTS 带，这是迄今为止采购数量最大的 HTS 带，其采购地远至日本和俄罗斯。

技术人员费了很大的努力地将超导带缠绕成 16 个线圈，然后将这些线圈组装成一摞 "薄饼堆"，形成环绕一小部分托卡马克的环形磁场。2021 年 9 月，在麻省理工学院的等离子体科学与聚变中心，研究小组将这块磁铁通电后，观察到其产生的磁场强度高达 20 特斯拉——约为地球磁场典型值的 40 万倍，这足以将航空母舰从水中托起。研究小组将磁铁在稳定状态下通电了约 5 个小时。

“事实证明我们基本上可以手工制作 16 个绕组线圈，并将它们组装成一块高性能磁铁，”索博姆说，“但我们能否快速地重复这项工作呢？”

为了完成对 Sparc 磁体的布置，CFS 团队需要将这项一艰难的工作重复 18 次。在 Sparc 基地附近，一家磁铁装配厂正在加紧生产。“我们已经缩短了一半的装配时间，但只有再将时间缩短 4 倍，才能按计划完成生产，”索博姆说，“每个绕组被制造出来并经过测试后，就将被集成到环形磁场线圈中，并转移到总装车间，在那里，18 个一样的线圈以及其他周围的部件将被组装起来，安装到托卡马克周围。

由于缺乏可供参照的先例，CFS 的整个项目中最关键的部分就是磁铁的制造，但这一部分却遭遇到了供应链上的挑战。CFS 一直致力于在美国、欧洲和亚洲寻找更多的供应商同时发展内部制造能力，这将为未来建造聚变电站奠定基础。

DOE 高级能源研究计划局（ARPA-E）核聚变项目主任艾哈迈德·迪亚洛（Ahmed Diallo）从国家竞争力的角度阐述了 HTS 短缺的问题。“中国正在推动生产每年 3000 千米的 HTS 带，而我们希望能够每年生产超过 10 000 千米，以确保核聚变的快速发展。目前，我们正在寻找新的方法来实现高通量的制造工艺，同时降低成本，”但这可能会使制造高温超导托卡马克的成本增加 1 亿美元及以上。

“我们从每年几厘米的产量，到现在的几百公里，”DOE 聚变能科学办公室项目经理吉妮薇尔·肖（Guinevere Shaw）说，“美国若要想在建造托卡马克上领先世界，就必须想办法在 HTS 的生产方面实现突破，而鲜有承包商有能力完成这项复杂的任务。

CFS 表示，目前已在基地上安装了 Sparc 所需的 10 000 千米超导带的约三分之一长度，其余的部分已经订购。待组装完成后，按计划要求该装置将在 2025 年末第一次产生等离子体，然后证明聚变能量增益因子（Q）大于 1——换句话说，Q 大于 1 代表净增益，这意味着聚变反应产生的能量大于维持反应所需的能量。时间十分紧迫，迄今为止，几乎所有的核聚变项目都未能兑现其乐观的承诺。

不过，关于 Sparc 的等离子体物理学在《等离子体物理学杂志》（Journal of Plasma Physics）上发表的七篇同行评议论文中得到了验证。根据 CFS 的模拟预测，Sparc 将产生 50 到 100 兆瓦的核聚变功率，Q 值将大于 10，这与 ITER 的增益系数预测值相当。

在核聚变实验中成功产生大于等于 10 的能量增益尽管困难重重，但相比于随后要面对的挑战——利用核聚变向电网供电，这可能还更容易些。为了应对这后一项挑战，CFS 已经开始致力于建造世界上第一座核聚变发电站。该公司将这项 Sparc 的后继项目称为 Arc，它将具备有经济竞争力的、能够实现大规模核聚变生产所需的所有技术。

“在进行 Sparc 项目的同时我们也在进行 Arc 的大部分工作，这样 Sparc 的支持系统和合作伙伴就都能准备充分。”索博姆说。他指出，CFS 目前正在与美国国家实验室、各个大学以及国际研究机构开展数十项合作。

但是，与具有确定的物理学基础（即便只有部分得到实施）的核聚变反应本身不同的是，核聚变发电的许多基本问题仍然悬而未决。在不受辐射破坏的情况下收集能量并将其转化为电能，需要建造一个复杂的系统，这在工程技术和材料科学上都是一项高难度的挑战。

这其中包括了从装置中提取热量用于发电的方法。在这一点上，CFS 的首选方法是使用熔盐毯。此外，熔盐毯还能培育氚，这是一种用作磁约束反应堆燃料的稀有同位素。

提取热量发电首先需要将持续流动的盐循环泵入环绕等离子体室的水箱中，用以吸收辐射出的中子。熔盐随后被泵送到托卡马克之外，其热能就传导到了用于驱动涡轮机发电的流体中。Arc 产生的几乎所有热能都会被熔盐毯吸收，由此，磁体冷却系统的负荷就能大大降低。

熔盐可以是氟化锂和氟化铍的混合物，即 FLiBe。这样的组合还能同时作为一种孕育介质，其中，部分核聚变中子与锂原子相互作用，并将其转变为氚。接着，氚从熔盐毯中被过滤出来，再循环成核聚变燃料。

FLiBe 是 CFS 与麻省理工学院等离子体科学与聚变中心合作研究项目的重点，该项目由 ARPA-E 资助。这是能源部开展的几个项目之一，这些项目通过资助资金、以及在私营企业与能源部国家实验室之间达成合作的方式，来推动聚变研究的发展。但是，FLiBe 是否会比其他方法更有效、甚至是否有效，仍然有待实际考证。

美国能源部资助的研究合作说明了各国实现核聚变的不同道路。在大多数国家，核聚变是在政府规划的发展道路上进行的。

“在美国，我们加速核聚变能源研发的新策略是与私营部门合作，以鼓励私有资本流入或提供杠杆比率等方式瞄准公共资金，形成多元化的技术和商业化组合，”DOE 的斯科特·苏说道，该部门在今年 5 月宣布了 460 万美元的起步资金，通过公私合作的伙伴关系推进商业化核聚变发展。

这些投资加上不断出现的技术里程碑，增强了人们对核聚变发电发展加速的信心。今年 5 月，微软签署了世界第一份从初创公司 Helion Energy 购买核聚变能源的协议。Helion 目前正在建设的反应堆计划从 2028 年开始生产 50 兆瓦的电力。聚变行业协会最近对私营聚变公司工作的专业人员进行的一项调查发现，93% 的受访者认为聚变发电将从 21 世纪 30 年代开始向电网供电，比前一年 83% 的数据高了不少。

随着气候变化影响继续加剧，对于索博姆和其他业内人士来说，这一天来得还不够快，他们希望推动技术向前发展，以提供清洁、无碳的能源。

“尽管它仍然不够快，但我们在过去十年中取得的进展还是有点让人觉得不真实，”索博姆说。“十年前，我写了一篇关于使用高温超导磁体产生聚变能源的学术论文，现在我们正在着手实现它。我看着核聚变技术在我周围实现。也许 2050 年世界建设起数千个核聚变发电站并解决气候危机的未来真的存在。每当我开车进入停车场时，这种想法就会出现。”