MIT：詳解「人造太陽」重大突破

中國航空報訊：9月29日，《等離子體物理學雜誌 》（Journal of Plasma Physics）專刊一舉刊登7篇研究論文，全面報導了美國麻省理工學院（MIT）與初創公司Commonwealth Fusion Systems關於新型可控核聚變反應堆研究工作的重大突破。

在一系列論文中，研究人員詳細闡述了其關於小型化可控核聚變反應堆的理論研究進展。他們宣稱，在使用了新型高溫超導材料之後，其設計的SPARC反應堆將能達到與國際熱核聚變實驗堆（ITER）同等級別的性能指標，而體積卻只有後者的2%。

如果項目能夠如期在2025年完成，這將成為世界上首個輸出能量大於輸入能量的可控核聚變反應堆，將人類關於可控核聚變反應的研究進展大幅提前至少十年；更為未來小型化、低建造難度的商用可控核聚變反應堆指出一條全新的發展路徑。

中國目前也在開展多項核聚變研究，其中，中國聚變工程實驗堆（CFETR）最具雄心，是中國自主設計和研製，並聯合國際合作的重大科學工程，將於2021年開始立項建設。一位在中國科學院核聚變大科學工程中負責超導材料研究的研究員稱，聚變功率與磁場的四次方成正比，這也是SPARC項目追求強磁場的原因，但「追求高磁場，成本比較難降！」儘管在業內專家眼中，SPARC項目還存在諸多挑戰，但依然算核聚變領域期待已久的重大突破，尤其是在國際熱核聚變實驗堆又一次宣布推遲之後。

夢想中的人類終極能源 可控核聚變

可控核聚變可謂人類能源問題的終極解決方案。我們現有利用的絕大多數能源，歸根到底都來源於太陽在過去和現在輻射到地球的能量。而太陽以及其它宇宙中恆星的能量來源，卻是核聚變。

當兩個質量較輕的原子核融合時，其質量將有一部分轉化為能量。例如，一個氘原子核（2H或D）和一個氚原子核（3H或T）融合時，總質量會減小，虧損的質量變成一股巨大的能量釋放出來，其大小等於這部分質量乘以光速的平方。

這意味著，核能有著比化學能、機械能大得多的能量密度：在人類已知的反應中，核聚變反應所能釋放出來的能量僅次於正反物質湮滅。

以上述氘-氚（D-T）核聚變反應為例，作為難度最低、釋放能量最小的核聚變反應，同等質量的氘-氚核聚變所能釋放出來的能量大約是汽油的2500萬倍。與之相比，我們熟知的核電站利用的則是核裂變，也就是鈾235原子分裂時產生的能量，其能量密度僅僅是氘-氚核聚變的百分之一。

核裂變發電本來是很好的零排放能源形式。然而福島核事故之後，因人們對核裂變過程中在核輻射、核廢料處理、反應過程控制、防止核洩漏等方面存在諸多疑慮，不少國家放慢、甚至取消了發展裂變核電的計劃。而比核裂變強大得多的核聚變則沒有這些問題：氘-氚燃料來源廣泛，核反應過程中幾乎沒有核輻射，廢料也幾乎沒有放射性，反應還好控制——只要斷電就可以終止，無需擔心出現恐怖的核事故。

因此，可控核聚變簡直就是人類夢想中的能源形式，一旦實現，人類文明都有可能因此再上一個臺階。可是，幾十年過去了，人類在核聚變發電技術方面仍然進展緩慢。這是因為，想要實現可控的人工核聚變，簡直太難了。

永遠的還差50年

人類並不是沒有掌握人工核聚變的技術。早在幾十年前，人類就實現了不可控的人工核聚變，並利用其巨大的能量，造出了目前所掌握的最恐怖的武器——氫彈。

而在實驗室裡，也可以成功維持一段時間的可控核聚變。例如2017年，位於合肥的中國大科學裝置「東方超環」——先進實驗超導託卡馬克（EAST）創造了102秒、芯部電子溫度超過5000萬攝氏度的世界紀錄，而2018年更是首次實現了1億度等離子體運行。然而這些可控核聚變過程中，維持聚變反應所消耗掉的能量總是大於從聚變反應中獲得的能量。

幾十年來我們一直聽說，人類離實現可以發電的可控核聚變還有50年的時間。幾十年前就說還差50年，幾十年後依然如此。甚至有很年輕的科學家表示，自己的有生之年應該是看不到可控核聚變為人類貢獻能源的那一天了。

這是為什麼呢？其關鍵難點之一在於，核聚變所要求的溫度實在太高了。太陽上內核溫度有1500萬攝氏度，而如果在地球上想要利用核聚變來發電，溫度必須要達到2億攝氏度。在這個溫度下，原子中的電子將與原子核分離，共同形成等離子體。一旦等離子體與位於地球表面上的外部世界接觸，其溫度將不可能保持在2億攝氏度。因此，參與可控核聚變的等離子體必須要與外界隔絕開來，裝在一個特殊的容器中，在控制下慢慢地發生反應，而不是像氫彈那樣將能量瞬間釋放，產生巨大的破壞。

然而，地球上並沒有這樣的物質來製作這樣一個容器。我們所擁有的最耐熱的物質——鎢，只能耐受3000℃。

那麼還有什麼別的辦法？用實打實的物質不行，幾個蘇聯物理學家在上世紀50年代想出了一個新方法：用看不見摸不著的磁場，來給等離子體編織一個逃不出去的籠子。

這便是所謂的「託卡馬克（Токамáк）」，來源於俄語的環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）和線圈（kotushka）。顧名思義，就是在真空的環境中，用環形線圈形成一個封閉的磁場，裡面充滿沒頭沒尾的磁感線。等離子體是帶電的，會被封閉的磁感線束縛住，繞著它做螺旋式運動，這樣，參與核聚變反應的等離子體就會被束縛在磁場做的籠子裡面。其所產生的熱能，就可以有序地釋放出來，被發電系統收集，最後轉變為電能。

從上世紀五六十年代的蘇聯開始，不少國家都建立起自己的託卡馬克反應堆。其中最重要的，是正在建設中的國際熱核聚變實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER），由歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國和美國共同建設，是世界上最大的磁約束等離子體物理學實驗裝置。

ITER於2006年開始啟動，最初計劃總投資100億歐元，預計在2018年完成建設。然而，本應成為國際科研合作典範的ITER項目，進展卻一拖再拖，經費也節節攀升。今年剛剛發布的最新計劃，已經把啟動核反應的時間推遲到了2035年。

經費和政治的原因固然重要，但ITER的大手筆設計和超高的建造難度，才是其一直不能成功的根本原因——這個設備過於龐大、複雜和精密了。

新材料+舊設計=新可能

顯然，如果要降低託卡馬克裝置的成本和建造難度，一個好辦法就是減小它的體積。

核聚變領域有一個重要的指標，叫做聚變能增益係數Q，是核聚變反應釋放的能量與為了維持核聚變所需要的能量的比值。在沒有物理原理突破的情況下，要想實現比較高的Q值，託卡馬克裝置要麼得有大尺寸，要麼得有強磁場。ITER設計於十幾年前，概念設計甚至始於上世紀80年代。其所使用的超導材料性能一般，為了達到Q=10目標，其等離子體大半徑高達6.2米，給項目的技術和資金帶來了巨大的挑戰。而這次MIT與Commonwealth Fusion Systems團隊給出的託卡馬克小型化的辦法，就是用更好的超導材料獲得更強的磁場。

最近幾年，超導材料領域出現了重大突破。後發制人的SPARC項目，用上了比ITER好得多的新型高溫超導材料——稀土鋇銅氧化物。

為此，他們研究出了一種新型高溫超導導電帶，經過數千次類似磁場環境情況下的循環之後，表現優異。在液氦溫度下，僅有0.1mm厚、12mm寬的線纜可以通過5000安培的電流。與之相比，同等截面積下的普通銅線，在常溫下僅能安全通過約為6安培的電流。

這樣一來，SPARC就可以形成極其強大的磁場。為了達到與ITER同樣的Q值，SPARC的等離子體大半徑只需要1.85米就可以了。半徑縮小了3倍多，意味著體積將只有ITER的2%。這個體積相當於一個中型反應堆的大小，但其強得多的磁場卻讓它可以提供50~100兆瓦的核聚變能量。

除 此 之 外，SPARC其 它設計原理都與ITER 一模一樣。Commonwealth Fusion Systems並不是唯一 一家從事可控核聚變研究的初創公司。美國的TAE Technologies和英國的First Light Fusion也是這個領域的明星初創公司。但與他們相比，Commonwealth Fusion Systems的技術路線更加保守，除了新材料以外，其它均是ITER經過驗證的成熟設計。這意味著，其成功的機率要大得多。而大幅縮小的尺寸，意味著大幅降低的成本和建造難度。

可能也正是由於同樣的原因，Commonwealth Fusion Systems也是第一個將自己的進展以論文的形式向全世界公布的私營公司。通過這些論文，我們得以對他們的研究一探究竟。

新項目的新挑戰

SPARC項目的第一階段開始於2018年，計劃到2021年之前完成這種小型化託卡馬克的系統設計。目前，已經逐漸迭代升級到了最新的V2版本。

得益於近幾年核聚變反應模擬計算的進步，高通量模型讓他們預測出了SPARC在實際運行中的表現。計算發現，V2版本最高將可以達到Q≈9，經驗公式更是顯示可以達到Q≈11，實現140兆瓦的核聚變能量輸出。即便是在非常保守的運行情況下，SPARC也依然可以實現Q>2的設計目標，輸出50兆瓦的功率。

儘管並不是所有人都認同這些結果的可靠程度，但顯然MIT和Commonwealth Fusion Systems對他們的結果充滿信心。他們認為，項目的第二階段建設將如期在明年7月左右開始，並在2025年完成最後的設計、建造和運行。

也就是說，儘管項目啟動比ITER晚了12年，開工建設（如果可以順利開工的話）也將比ITER晚8年，但由於小型化、低成本，他們取得成功的時間卻可以比ITER提前10年。屆時，他們將成為世界上第一個實現Q>1可控核聚變反應的團隊，超過所有其它的政府和私人贊助的項目。如果可以成功，這將不只是MIT的勝利，更是全人類的勝利。

然而，就算他們的理論計算沒有問題，也不是所有人都認為他們可以如期完成任務。畢竟ITER的教訓歷歷在目，MIT和Commonwealth Fusion Systems團隊似乎太樂觀了。

大家的猜測並不是沒有道理。儘管已經基本完成設計，但在真正開工之前，他們還需要解決一系列的問題。如此小的體積卻有如此高的能量，這需要他們製造出可以耐受超高溫等離子體、伽馬射線的壁面，找到更好的將能量和燃料輸入實驗裝置的方法、將能量提取出來的方法，要可以應對突發熱負荷和電負荷變化，還要實現關鍵性能指標的準確測量。

前述參與中科院核聚變大科學工程的研究員認為，「追求高磁場，成本比較難降！」此外的問題還包括，目前可以使用高溫超導材料實現高磁場，但效果怎麼樣，還沒被證明過。另外，在磁體技術方面，不是很成熟，聚變界現在也在開展這方面的研究。

託克馬克裝置越小，核心溫度越不能維持。這個裝置如果僅僅是規模做小、超導做大，是遠不足以達到目標的。沒有新的思路加大核心壓力，光靠加大輸入能量而企圖單方面提高溫度，恐怕永遠解決不了問題。

或許MIT還有更核心的、處於保密狀態的技術。在他們的實驗裝置輸出淨功率之前，還是繼續保持觀望的態度為好。也就是說，儘管目前看來項目進展一切都還順利，可理論階段畢竟只是理論，真正的硬骨頭還遠沒有到來。

但對於人類社會來說，我們並不介意多等幾年。即便SPARC不能順利完成，也可以有別的期待：如果ITER不再跳票，2035年將迎來一個大型的Q=10的託卡馬克；而同樣吸收了ITER經驗，中國將在2050年建成一個更加強大的、Q=25的「中國聚變工程實驗堆（CFETR）」項目。

在《等離子體物理學雜誌》為SPARC撰寫的社論中，SPARC項目負責人、MIT等離子體科學與聚變中心常務副主任、Commonwealth Fusion Systems聯合創始人Martin Greenwald，引用了甘迺迪著名的《我們選擇登月》演講來描述自己的決心：

「我們選擇十年以內登月並實現其它目標，不是因為它們容易，而是因為它們困難，因為這一目標有助於我們最大限度地組織和衡量我們的能力和技能，因為這個挑戰是我們樂於接受的，因為這個挑戰是我們不願推遲的……」

甘迺迪的時代已經過去，美蘇爭霸也成為了歷史，人類卻比過往的任何時候都更加需要清潔的能源，來拯救人類的命運。我們希望難度低很多的SPARC可以為可控核聚變指出一條更加容易實現、也因此更有意義的明路，更希望有更多的SPARC可以在全世界各地湧現出來。