核聚变能源：为什么有希望又具有挑战性，解释 - 彭博社

劳伦斯利物浦国家实验室的国家点火设施目标湾。摄影师：达米恩·杰米森/劳伦斯利物浦国家实验室/AP核聚变长期以来一直被视为清洁和丰富能源的终极目标。聚变是太阳燃料的过程，其中压倒性的引力将原子压在一起并释放它们的能量。2022年底，研究人员庆祝了一个长期追求的 科学里程碑，并于7月复制了这一成就。该领域仍然充满了棘手的技术挑战和对近期前景的怀疑。然而，美国和其他国家正在推动 大胆的愿景，一些世界上最富有的投资者已经涌入了针对科学中最大、最艰巨挑战之一的初创公司。

观看：比尔·盖茨表示他是核聚变的重要投资者。

1. 里程碑是什么？

2022年12月，加利福尼亚州的 劳伦斯利物浦国家实验室的科学家们将世界上最强大的激光聚焦在一个装满氢气的胡椒粒大小的钻石胶囊上。激光束释放了2.05兆焦的能量，触发了将氢聚变成氦并释放3.15兆焦的反应。差异略大于一兆焦，大致相当于手榴弹释放的能量。这一结果，被称为“点火”或净能量增益（意味着输出的能量比输入的多），是科学家们几十年来一直追求的成就。它表明控制聚变的核心物理学已经被攻克，创造了生产廉价、无碳电力的可能性。在 数次不成功的尝试后，同一实验室于2023年7月能够重复这一成就。

2. 商业聚变离我们有多近？

最乐观的专家表示，距离第一座聚变发电厂向电网供电还有大约十年的时间。大多数人认为现在距离这一目标还有20到30年的时间。随着近年来科学的进步，聚变开始吸引新一类投资者，越来越多的私营公司加入了这场竞赛。投资激增，从2020年的约3亿美元增加到2021年的26亿美元。到2022年回落至12亿美元，并在2023年上半年降至5.44亿美元，据彭博新能源财经数据。

3. 有哪些技术？

聚变研究受益于超级计算、3D打印和超导磁铁的进步。有不同的方法：

• 惯性约束：2022年的里程碑证明了这种方法——用激光瞄准充满氢气的小球——是可行的。但反应异常短暂，不是发电厂通常使用的连续过程。而且至少目前来看，这些小球的制造成本昂贵且耗时。
• 磁约束：更广泛使用的方法利用强大的磁场来包含等离子体，即带电的超加热气体，以便它能维持聚变反应。这需要比太阳温度高得多的温度，大约为1.5亿摄氏度（2.7亿华氏度）。大多数工作使用苏联时代的设计，被称为托卡马克，它采用一个超冷却的圆环形腔室来容纳等离子体，或者一个称为恒星器的变种。
• 其他替代方案：初创公司正在追求混合技术或他们自己独特的想法。加利福尼亚州的TAE Technologies是资金最充裕的公司之一，他们使用加速器来使等离子体充满高能粒子，使其更容易管理。

4. 有哪些障碍？

聚变不会产生像裂变那样的高水平核废料，裂变是自1950年代商业反应堆使用的原子分裂替代形式，也是最初的原子弹的动力来源。然而，聚变研究需要克服技术挑战，比如如何开发能够承受机器内原子粒子轰击的材料。目前还不清楚产生的能量将如何被利用并转化为电力。

5. 参与者是谁？

有三个明显的群体：国家倡议、国际合作以及近三十多家私人初创公司。美国和英国在11月宣布了一项合作加速聚变发展的伙伴关系，随后美国气候特使约翰·克里表示他的国家将与一系列政府合作朝此目标努力。同样在12月，欧盟和日本在东京北部启动了世界上最大的实验性核聚变发电厂的测试。这个由35个国家组成的250亿美元的国际热核实验反应堆（ITER）是有史以来最大的研究项目。这个项目规模相当于太空竞赛时期的一个项目，当时美国和前苏联竞相建造巨大的火箭。自2010年以来，该项目一直在法国努力建造一个巨大的示范机器。初创公司最著名的支持者包括亚马逊创始人杰夫·贝索斯、微软创始人比尔·盖茨和Palantir的彼得·蒂尔。有一种观点认为，即使核心技术需要几十年才能实现，对聚变的推动也将产生科学进步。

6. 什么会标志着进展？

磁约束项目尚未表现出净能量增益，ITER的托卡马克计划最早要到2025年才开始运行。 Commonwealth Fusion Systems计划在2025年在马萨诸塞州启动自己的设备。

参考书架

• 劳伦斯利物浦国家实验室的网站。
• BloombergNEF报告关于核聚变面临的挑战。
• Bloomberg的图表特写探讨了聚变的两种方法。
• 一个微小的小部件是如何拖延了世界上最大的科学实验。
• 一个关于核裂变复兴的QuickTake。
• Bloomberg观点专栏作家David Fickling写道，聚变研究人员离商业技术还很遥远。
• 一位聚变科学家解释了为什么雄心勃勃的时间表将很难实现。