專家論道：20年內就能實現商業核聚變電站？

小小聚變，巨大能量。內爆等離子體（藍色部分）的剖視圖。圖源：HyperV Technologies Corp

撰文 | 趙維傑（NSR新聞編輯）

翻譯 | 薑 巍（華中科技大學副教授）

可控核聚變被認為是清潔能源的最佳選擇：氘（D）、氚（T）等燃料儲量接近無限、碳排放為零、放射性核廢料產物很少且易於處理，而且與裂變反應堆不同，即使發生問題，聚變電站也是安全的，不會演變為核事故。60多年來，人們一直在追求聚變能源，但迄今未能成功。問題在於聚變反應需要極高的溫度和壓力，要達到點火條件非常困難，要建造能夠限制聚變反應的容器更加困難。

目前，主流聚變方法包括以托卡馬克為代表的磁約束聚變（MCF），以及近年來獲得重大進展的慣性約束聚變（ICF）。國際聚變能源項目ITER正嘗試建造世界上最大的托卡馬克裝置，並計劃在2035年底前開始氘氚運行。在中國，以“人造太陽”為代表的MCF研究也備受關注。

然而，除了MCF和ICF，研究者也提出過其他多種創新型聚變途徑。與MCF相比，這些方法還不夠成熟。但也有一些研究人員認為，這些創新方法有望在20年內，比ITER更早建造出規模更小，建造成本更低的實用聚變電站。在這一觀點的鼓舞下，多家私營企業應運而生，希望能在聚變能源領域一展抱負。

2019年5月，首屆國際創新聚變途徑國際會議在中國西安舉行。《國家科學評論》借此機會召集業內一線代表專家及機構代表，就聚變能創新途徑的未來機遇和目前挑戰舉行論壇。以下為討論內容摘錄。

聚變的挑戰：技術、經濟與政治

楊顯俊：聚變能的概念是在65年前提出的，但至今尚未實現。在您看來，主要困難是什麽？

Hsu：我認為有兩個主要因素：一個是經濟，一個是科技。現在，國際上大多數人都專注於科學和技術問題。但我認為我們需要更多地關注經濟問題和市場因素，這樣才能將聚變與現實世界更密切地聯繫起來。

我在美國能源部的高級研究計劃局（ARPA-E）工作，為各種新能源研究項目提供支持。我處理過各類能源的項目申請，所以清楚地知道，聚變並不是解決能源危機的唯一可能途徑，除此之外還有碳封存、長期儲能、地熱能、甚至將碳排出大氣層等各種可能方案。

現在所有人都自然地認為聚變能是能源問題的“聖杯”，從長遠來看，我們一定需要它。但是目前，我們還無法給出聚變能未來產業發展的任何細節。我們不知道如何將聚變能整合到當前的能源系統中，不知道聚變能能夠提供哪些其他能源無法提供的東西。在美國，缺乏市場需求是聚變能面臨的重要挑戰。

我們應該首先澄清市場需求，然後再回到科學技術領域，尋找能滿足這些需求的潛在方法。我們需要考慮更小型化、更簡單、成本更低的更多方案。

Gonzalez：聚變還沒有找到自己的市場。但在過去15年中，世界範圍內建立了許多聚變公司和聚變設施。我認為聚變正在從科學階段進入到實現階段，最終目標是建立一個商業上有競爭力的聚變電站。

我四年半前加入國際原子能機構（IAEA），那時IAEA中很少有人對聚變能感興趣。但是現在已經完全不同了。投資者注意到這個領域，私營企業也開始行動。我們已經開始討論未來聚變電站的成本和其他現實問題。

聚變研究從一開始就是國際化的。許多國家都有自己的裂變反應堆設計，但是沒有一個國家有能力單獨建造聚變反應堆。國際原子能機構希望成為一個平台，將人們聚在一起以實現共同目標。

楊顯俊：我認為另一個重大挑戰是如何從決策者那裡獲得更多支持。如果政策制定者可以更加重視聚變能源，特別是可能在20或30年內興建聚變電站的創新方法，那麽情況將會有所改變。

Gonzalez：政治支持，包括預算、政策和人才，確實是相當重要的。近年來，決策者非常關注溫室效應和氣候變化。所以在提案的第一頁，我們應該清楚地描述聚變將如何有助於減輕氣候變化的影響。這將極大地幫助我們獲得更多資金。

川田重夫：沒錯。我們研究者知道聚變能是無排放的，也是可行的，但政治家和公眾對此並不了解。我們應該盡量增加公眾對聚變能的了解。另一方面，如果有一天我們能夠建造一個聚變電站，而這個電站不是完全沒有放射性的，我們也應該將這一點誠實地公布於眾。

Thio：除了這些因素，發展實用高效的聚變電站也還面臨著一些根本性的技術挑戰。其中之一就是中子問題。如果使用D和T作為燃料，就需要處理聚變反應產生的中子。處理中子的一種方法是使用厚液體壁作為第一壁。

Hsu：為了解決中子問題，目前的私人聚變公司或者使用厚液體壁，或者選擇更先進的不會產生中子的燃料。先進燃料的前期物理理論不是很容易，但一旦解決，接下來的工程實現將更容易。這從經濟角度來看是一個優點。

MIF：MCF和ICF的結合

郭後楊：磁慣性聚變（MIF）是一種創新的聚變途徑，它結合了磁約束聚變（MCF）和慣性約束聚變（ICF）的許多理想特性。MIF不如托卡馬克等傳統方法成熟，但我認為這一概念對聚變能發展具有變革潛力，值得進一步探索。

Hsu：理論上講，MIF需要較少的儲存能量和加熱功率即可達到聚變點火條件。這個想法已經過測試並取得了很好的結果。美國能源部桑迪亞國家實驗室構建的Z裝置就是一個很好的例子。MIF並不像托卡馬克那樣成熟。人們可能很難想象，某些還不太成熟的東西會在更短的時間內實現聚變。但是如果我們回顧科學成就的歷史就會看到，我們經常會高估我們在短期內可以做到的事情，卻低估我們能在長期內取得的成功，這是因為我們無法想象將會發生怎樣的變革性突破。所以我認為，如果我們能夠為突破的發生提供環境，那麽目前還不太成熟的聚變概念完全可能超越成熟的方法，並最終發展出第一個聚變電站。

川田重夫：我基本同意你的觀點。但在達到最終目標之前，我們還必須解決不穩定和重複率的問題。

Thio：沒錯。我在20世紀90年代中期注意到了這兩個問題，並且提出了等離子噴射驅動磁慣性聚變（PJMIF，Plasma Jet Driven Magneto-Inertial Fusion）的概念。這可能是潛在的解決方案之一。

在固體套筒驅動的MIF中，套筒和傳輸線會被破壞，因此很難做到重複頻率工作。我提出可以使用一系列高速密集等離子槍來傳送壓縮並達到點火能量。不過PJMIF還處於早期階段，我們還沒有獲得所需要的等離子體槍。

MIF實際上是一類非常廣泛的聚變途徑，其參數空間很大。MIF的具體實施方案包括固體套筒、液體套筒、等離子套筒等。對於每種套筒，又都有幾種實現方法。

MIF是磁聚變和慣性聚變的結合體，但實現這種結合並不容易。在嘗試結合這兩種傳統方法時，物理上會變得非常困難和複雜。

Hsu：你獲得了兩者的優勢，也必須接受兩者的挑戰。

Thio：就是這樣！

楊顯俊：我認為MIF是創新聚變途徑的領先范例。它為實現最終的實際目標提供了很多選擇。現在是時候重新思考我們過去的聚變嘗試了。這些新概念很有可能將加速我們對聚變能的追求。

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室計劃在實驗機器上裝36支等離子體噴槍進行PLX（Plasma Liner Experiment）實驗。目前，等離子體噴槍的安裝已接近完成。PLX實驗將採用磁慣性聚變（MIF）的方法，以實現核聚變。圖源：洛斯阿拉莫斯國家實驗室

更多創新聚變途徑

楊顯俊：除了MIF，還有哪些其他新途徑？

趙永濤：我們正在研究重離子驅動慣性約束聚變，這也是很具競爭力的聚變途徑候選者。重離子聚變的能量轉換效率非常高，遠高於雷射聚變和其他方法。

而且，我們可以將重離子聚變與MIF、Z箍縮等其他方法結合起來。例如，我們可以使用重離子來產生高密度、高溫度等離子體，然後使用其他方法點火，反之亦然。

此外，我們還應該關注各種極端情況下的新物理和新現象，這其中包含非線性效應。最近，我們進行了一些雷射加速離子束相關實驗。束密度極高的情況下，材料中的能量沉積效率提高了不止一個數量級，遠高於現有的理論預測。因此我們需要重新評估阿爾法粒子加熱，離子驅動快點火和重離子驅動慣性約束聚變的整個方案。

我們可以結合不同的方法，並且關注新鮮事物。

Thio：氣體動態阱（gas-dynamic traps）也取得了一些進展。過去五年間，相關實驗獲得了1 keV電子溫度。這個溫度被認為是聚變研究的重要里程碑，20世紀60年代俄羅斯T3托卡馬克達到1 keV溫度時，整個世界都放下其他一切方法，專注於托卡馬克研究。

Gonzalez：一些俄羅斯研究人員正在研究磁鏡 （magnetic mirrors）。其工作也很有價值。

郭後楊：我們的目標是建立一個經濟型聚變電站。從這個最終目標出發，我們可以確定一些非常有前途的“替代”配置來實現所需的功能。

例如，相當多的私營企業正在追求場反位型（FRC）。FRC的幾何結構非常簡單，它可能解決一些關鍵問題，如等離子體破裂和熱負荷問題等。還有其他有趣的裝置如磁鏡（mirrors）和球馬克。這些替代裝置表現出適用於經濟型聚變反應堆的非常理想的工程特性，但它們的物理學並不成熟。而其物理基礎不成熟的原因在於，我們沒有投入足夠的資金和時間來進行相關研究。

以MCF為主體的聚變領域現狀

Thio：除磁鏡和重離子聚變外，FRC可能是所有創新聚變途徑中獲得資金最多、相對最成熟的。即便如此，FRC累計獲得的政府資助還不到聚變研究總預算的1％。美國政府在磁約束聚變（MCF）中花費了超過200億美元，其中投入在FRC中的不足一億美元。除磁鏡和重離子聚變外，其他創新聚變途徑所獲得資金都比這更少。

很多人會批評創新聚變途徑說：你們的結果在哪裡？數據在哪裡？托卡馬克技術已經積累了大量實驗數據，但創新方法沒有數據，原因就在於沒有預算。而且，創新聚變途徑獲得的有限預算還要分散在許多不同的創新概念上，所以每一種單獨的新方法能夠獲得的就更少了。

Hsu：美國國家科學院在最近發布的報告中提出了兩項重要建議。一項是，ITER仍然是科學風險最低的聚變路徑，美國應該繼續追求它。而第二項說，我們應該以最低的資本成本來尋求緊湊型聚變試驗裝置。我認為這裡提到的最低資本成本既包括研發成本，也包括最終的電站建設成本。這說明美國也開始在其既有戰略之外，為創新方法提供機會。

趙永濤：在中國，私人聚變公司的發展不如美國，但是新奧科技發展有限公司等企業也在積極推進相關研究。

我所在的大學，西安交通大學，剛剛建立了西部科技創新港。我們正計劃在創新港中建設一個創新研究中心。我們將與 Francis Thio 教授和 Dieter Hoffmann教授合作，進行一些新的實用研究。我們的計劃之一是在MeV能區建造重離子加速器，結合強雷射和磁化等離子體設備，研究各種聚變方法的基本物理原理。

川田重夫：日本的主要聚變研究方向也是MCF。我們有大型螺旋裝置（LHD），這是世界上第二大超導仿星器。許多日本大學都致力於MCF研究，但也有研究者關注其他方法。大阪大學研究人員致力於雷射聚變，東京工業大學（TIT）、高能加速器研究組織（KEK）以及包括我所在的宇都宮大學在內的幾所高校都側重重離子聚變的實驗和理論研究。但總的來說，日本對聚變能源的投入並不像美國和其他一些國家那麽多。

以托卡馬克為代表的磁約束聚變是當前核聚變的主流途徑。圖為ITER托卡馬克發電站的圖紙。By Oak Ridge National Laboratory - ITER Tokamak and Plant Systems (2016), CC BY 2.0

主流方法與創新方法之間的鴻溝

郭後楊：MCF研究有兩條主要路徑：（1）以托卡馬克為代表的先進磁約束方法;（2）簡單磁拓撲方法，如FRC。對於主流的托卡馬克方法，我們會首先建造一個類似ITER的大型聚變反應堆，然後嘗試降低成本並使其緊湊化、小型化。而對於其他創新方法，我們需要首先在其物理基礎研究中取得重大突破，然後直接建設緊湊型裝置。第一條路線的挑戰在於如何通過工程設計實現大型設施的緊湊化，而第二條路線的挑戰在於前期物理問題。我認為我們應該同時探索這兩條路線。

Gonzalez：國際原子能機構願意支持每一種方法並促進信息交流。我們應該鼓勵所有方法，無論是傳統方法還是創新方法。這不是一場傳統與創新之間的戰爭，而應該是向著同一個最終目標的共同努力。

我必須指出，傳統研究人員和創新研究人員之間缺乏溝通。許多私營企業都雄心勃勃，但卻不願意與主流研究人員分享他們的想法和進展。他們很少在會議或論壇上進行演講。

他們也許是害怕受到來自主流研究人員的不合理批評。但是要讓其他人了解你在做什麽，交流是唯一的方法。良好的溝通可以幫助他們完善自己的想法，也可以為他們的項目吸引更多投資。

郭後楊：這裡涉及知識產權問題。私營公司不願意分享他們的新想法，部分原因在於他們想要保護自己的知識產權。所以現在的結果就是單向溝通：他們了解主流研究人員的工作，但不分享他們自己的信息。如何打開溝通之門是非常具有挑戰性的問題，我們需要找到一種方法。

從非聚變技術中吸收養料

郭後楊：近年來，許多其他技術領域取得了一些新進展，這些進展會大大推進聚變能源的開發進程。例如，理論預測建模和機器學習方法已經用於指導聚變實驗和數據分析，高溫超導體、先進製造等其他技術也是聚變發展的關鍵因素。這些來自其它領域的發展可能為解決聚變能源面臨的物理學挑戰提供方案。

Gonzalez：是的，許多新技術都可以用於聚變。而且我認為，由於創新聚變途徑的靈活性更高，所以這些新途徑更容易兼容利用這些新技術。機器學習、3D列印、新材料等都可以輕鬆地在創新途徑中得到應用。

而且，我們也不應該忽視裂變。我們在裂變中獲得的許多知識、技術和經驗都可以為聚變研究提供啟示。

聚變研究人員需要擴展視野，在其他研究領域中尋找解決我們問題的可能方法。實際上，作為聚變設施主要部分的超導體正是從其他研究領域中引入的。

Hus：我完全同意。我們不能 “每造一輛車就重新發明一次輪子”。而且，我也想談談裂變的教訓。我們提出過許多先進的裂變方法，它們在理論上是完全可行的，但卻從來沒有被建成實際的核電站。其中的原因何在？聚變研究必須認真考慮這些問題，避免陷入同樣的境地。

如何為聚變發展設計路線圖？

Gonzalez：國際原子能機構正在編寫一份“國際技術路線圖”。這份報告將指出要建設未來聚變電站，我們還需要彌補哪些差距。我們將邀請五六位專家撰寫初稿，在最終發布之前，還會請更多專家審閱初稿並提供反饋意見。審閱專家將包括主流聚變途徑、創新聚變途徑以及非聚變領域的專家。

Thio：在過去20年裡，差不多每三到四年就會有一次由美國政府主導的類似調研，但是這些報告都很快被束之高閣，沒有起到什麽作用。這類研究的挑戰在於，如果我們研究領域中90%的人隻研究一種特定方法，那麽不可避免地，這份報告會成為只針對這種特定方法的報告，而無法對其他途徑的研究提供指導。國際原子能機構的這次報告如何避免這些問題？

Gonzalez：首先，我們的報告不是只針對某種特定方法進行的分析。我們將傾聽來自不同國家和不同方法的專家的意見。

其次，這份報告不是一份告訴研究人員應該做什麽的路線圖，而是一份為政策制定者撰寫的報告。它將幫助研究人員從政府或投資者那裡獲得資金。當一家私營企業提出自己的計劃時，它可以向政府出示我們的報告說：這不是我們憑空想出來的方法，這是已經被寫入國際原子能機構報告的有希望的方法。我們希望這份報告可以通過這樣的方式來幫助聚變領域的發展。

郭後楊：如果我們想為聚變能源制定真正的路線圖，我認為一定要設定可行的階段性目標。如果沒有期限，開發過程很可能會變得非常漫長，我們將很難在任何合理的時間內實現聚變能。

Hus：實際上，許多私人聚變公司都希望政府制定計劃來設定階段目標。他們希望能有一項類似於NASA商業軌道運輸服務（COTS）計劃的報銷計劃。在COTS計劃中，美國政府最終支付了8億美元，開發出一款低地球軌道運載火箭。

在這種報銷計劃中，政府設定幾個階段性目標。每當私人公司達到一個階段性目標，就會得到一定數額的報銷。對於政府來說，這是一個低風險的計劃，如果公司沒能達到設定的目標，政府將不支付任何費用。對於公司而言，他們將更有效地進行研究以節省資金。核創新聯盟（Nuclear Innovation Alliance）剛剛發布了一份與此相關的報告，題為《促進核能創新：尋找核能的 SpaceX》。

如果科學界和私營企業的人才可以聚集在一起，我認為我們將有機會在20年內獲得商業上可行的聚變能源。

楊顯俊：非常感謝各位分享自己的意見！我個人認為，MIF等創新方法非常有前途，我希望公眾和政策制定者能夠更多地了解聚變，並給予我們更多的支持。

版權聲明

本文英文原文於2019年7月22日在線發表於《國家科學評論》（National Science Review，NSR ），原標題為“Will there be a SpaceX for fusion energy? A forum on innovative fusion approaches”。《知識分子》獲NSR授權刊發該文中文版。

文章鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz098

製版編輯 | 皮皮魚