核能有兩種類型：裂變和聚變。傳統的核電站通過裂變利用鈾發電。然而，由于熔毀風險、核廢料、擴散風險（即炸彈）和成本，這并不受歡迎。另一方面，Fusion 沒有這些問題。但是，它仍在開發中。

“商業融合”是指以類似于碳基資源的成本發電。這要求聚變反應堆產生的電能比消耗的電能多，而且成本要合理。目前，這不可用；然而，過去 10 年進行的實驗表明這是可行的。最大的問題是：什么時候？

聚變化學

原子由一個被電子包圍的中心原子核組成，如圖 2 所示。原子核由質子和中子組成，質子的數量決定了材料的類型。例如，氫有一個質子，氦有兩個，鋰有三個。電子圍繞原子核運行并帶有負電荷，而原子核內的質子與中子結合，帶有正電荷。

圖 2：原子由位于中心的質子和中子組成，被電子包圍。

物質以四種不同的狀態存在：固體、液體、氣體和等離子體。這一點得到了希臘人的認可，他們在 2500 年前說世界是由土、水、風和火構成的。火和閃電是等離子的例子。

通常可以通過將氣體加熱到大約 10,000?C 來將氣體轉化為等離子體。這導致電子與其原子核斷開并在空間中自由漂浮。然后可以進一步加熱到大約 1.5 億攝氏度，以將原子核融合在一起并釋放額外的熱量。后一步是融合。

恒星中的等離子體類似于托卡馬克聚變反應堆中的等離子體。太陽的等離子體將地球表面加熱到~14?C，托卡馬克的等離子體將其內表面加熱到~600?C。

最容易融合在一起的原子是氘（1 個質子 + 1 個中子）和氚（1 個質子 + 2 個中子）。這些形成氦原子（2 個質子 + 2 個中子）、孤立的中子和更多的熱量，如圖 3 所示。產生的熱量可以通過蒸汽輪機轉化為電能或用于制造氫氣。

圖 3：實現聚變的最簡單方法是將氘氣和氚氣加熱到約 1.5 億攝氏度。這會產生氦、中子和熱量。

融合機

融合氘和氚的最簡單方法是使用托卡馬克反應器，如圖 4 所示。主要部件是環形腔、等離子體、磁鐵和圍繞等離子體的約 1 米厚的結構，稱為“毯子。”

為了實現商業聚變，必須從燃燒室中抽空空氣，注入氘氣和氚氣，加熱以產生等離子體，將聚變熱從毯子轉移到蒸汽輪機，然后發電。有關詳細信息，請參閱英國 AEA 融合視頻。

尋求商業融合

Q等離子體是熱輸出與熱輸入的比率。如果這至少大于 5，那么反應堆應該能夠在不注入熱量的情況下保持聚變。這被稱為“點火”或“燃燒等離子體”，類似于用火柴點燃篝火。點燃原木后，火柴被移除，燃料自行燃燒。現在沒有發生這種情況；然而，點火是一個重要目標，可能會在幾年內實現。

下一步是需要產生比整個系統消耗更多的電力。這被稱為“工程盈虧平衡”或“電力盈虧平衡”。

在那之后，人們需要生產的電力成本低于天然氣或煤炭的成本。這被稱為“經濟盈虧平衡”或“商業融合”，這是融合社區的最終目標。

融合數學

可以將圓環的線性尺寸定義為R o (米)，其中R o的三次方是體積(R o 3 )。也可以將中心的磁場定義為 B，以特斯拉 (T) 為單位。

根據聚變物理學，Q等離子體熱增益（熱輸出/熱輸入）與R o 3 × B 5成正比 。請注意，我們說“與”成正比。實際的等離子體Q值由其他因素決定，例如等離子體溫度、限制等離子體的能力和燃料類型。

上述等式意味著磁場強度B加倍導致 Q等離子體增加 32 倍 (2 5 )；并且線性尺寸R o加倍導致 Q等離子體增加八倍 (2 3 )。這也意味著，對于給定的磁體強度，可以計算點火所需的環形尺寸。

融合機

下面是幾個聚變反應堆的總結。表中的前三個仍在開發中。

圖 5：選擇運行或開發中的聚變反應堆

JET 是一項較早的計劃（B = 4 T，R o = 4 米）的一個例子，該計劃在 1980 年代觀察了幾秒鐘的受限等離子體。

ITER是一個耗資250億美元的國際項目（B = 5T，Ro =10米），希望在2025年完成建設，希望在2030年代實現點火。它設計為一次運行幾分鐘并帶走熱量；但是，它不會發電。ITER 的模型如圖 6 所示，右下角有一個人。

ITER 不會在 2020 年代嘗試點火，因為這需要氚燃料。氚使內部組件具有輕微的放射性，因此無法使用。隨后，ITER 將在 2020 年代進行低功率測試，然后在 2030 年代嘗試用氚點火。

1990 年代的 ITER 工程師查看了他們最好的磁鐵，并計算出他們需要建造得更大才能點火。然而，大意味著長的開發時間和高成本。根據今天的聚變數學，使用更強大的磁鐵和更小的尺寸實現點火成本更低且更容易。

Commonwealth Fusion Systems (CFS) 是麻省理工學院的衍生公司，目前擁有 18 億美元的風險投資和強大的 12-T 磁鐵。這比 ITER 的 5-T 磁體 (12 T ÷ 5 T) 高 2.4 倍，如果其他條件相同，則Q等離子體增加80 倍 (2.4 5 )。

CFS 正在利用其資金和磁鐵建造 SPARC（B = 12 T，R o = 3 米），這是一個希望在 2025 年左右實現點火的聚變反應堆。為了最大限度地縮短開發時間，它不會散熱，一次只運行幾秒鐘。

CFS 還在研究 ARC（B = 9 T，R o = 5 米），這是一個希望在 2030 年代投入運行的反應堆。ARC 的設計目的是實現點火、散熱、連續運行、發電和實現工程盈虧平衡。CFS 籌集的資金數額巨大，表明投資界看到了融合隧道盡頭的曙光。

融合景觀

圖 7 說明了 Q等離子體如何作為環形尺寸R o和磁場強度B的函數而變化。

圖 7：Q等離子體熱增益隨著環形尺寸的三次方和磁場的五次方而增加。

如果 R o太大，由于環形體積與成本成正比，成本會增加。如果 R o太小，則由于能量輸出低，成本會增加。此外，如果磁體強度B太小，則由于低 Q等離子體導致成本增加。綜上所述，要實現商業融合，可能需要在圖中的 ARC 附近。

Cost and time to develop the reactor are somewhat proportional to the toroidal volume. Therefore, if one wants quick data, they need to be small. ITER is the opposite of small and is taking 30 years to develop. This long duration puts it at risk of being obsolete before completed. ITER’s value is that it’s supported much research over many years and made programs like SPARC and ARC possible. However, if $25 billion had been directed by the world’s top fusion scientists’ month to month instead of funding a large development project, we would probably be further along.

CFS’s quest for commercial fusion via advanced magnets is putting pressure on others to keep up or become irrelevant. The British (MAST-U), Chinese (EAST), Koreans (KSTAR), French (WEST), and others are feeling the heat. However, there are still challenges, several of which are summarized below. And it is not clear when these will be resolved.

Challenge No. 1: Confine plasma

To achieve ignition and make electricity at reasonable cost, the plasma needs to be well-confined. This has been a problem due to internal turbulent behavior within the plasma, as well as other issues, and it is not clear when these will be fully resolved.

粒子被限制在等離子體中的時間稱為“限制時間”，Q等離子體能量增益與該時間成正比。換句話說，如果一個人將禁閉時間加倍，Q等離子體也會加倍。

限制時間受等離子室的形狀、該室周圍控制磁體的位置和數量、檢測等離子體的傳感器的位置和類型、根據傳感器讀數控制磁體的反饋控制軟件、能力去除氦氣廢氣等因素。

科學家們進行實驗以了解更多關于禁閉的信息。然而，在大多數情況下，他們已經從現有的反應堆中學到了一切。為了獲得更多知識，他們需要新的和改進的反應堆。

新設備的一個例子是英國的 MAST-U，它有 18 個控制磁鐵和許多傳感器，在等離子體研究方面比它的許多前輩更有能力。相比之下，ITER 的磁鐵更少，內部形狀是 25 年前設計的。SPARC 的等離子限制也很現代，類似于 MAST-U。

圖 8：英國現代聚變反應堆 MAST-U 的側視圖（來源：CCFE）

挑戰二：培育氚

如上述聚變化學方程式中所述，氚作為燃料被消耗。此外，氚是昂貴的。因此，聚變反應堆需要自己制造氚。這被稱為“增殖”并且是可行的，因為當中子撞擊其他原子（例如鋰）時會產生氚，如圖 9 所示。換句話說，等離子體周圍的覆蓋層需要包含鋰并且需要包含提取新產生的氚氣的機制。這一切皆有可能；然而，它從未被充分證明。

圖 9：來自等離子體的中子轟擊毯中的鋰以產生氦和更多的氚。

挑戰 3：排出熱量

聚變機產生兩種類型的熱量，這兩種熱量都需要去除。一種來自于對環形內表面輻射的光子。另一個來自穿透該表面并加熱毯子的中子。穿透發生約一米；然而，大多數加熱發生在前 20 厘米內。毯子的主要目的是捕獲熱量并將其向外移動，如圖 10 所示。

圖 10：毯子吸收中子，向外移動熱量，保護外部結構免受中子損壞，并通過鋰產生更多的氚。（來源：MITSPARC）

典型的熔融內表面加熱為 1 MW/m 2。這是具有挑戰性的，尤其是在存在強磁場和中子輻射的情況下。作為參考，日光浴者會產生 0.001 MW/m 2的表面加熱，而重新進入大氣層的宇宙飛船會產生 500 倍以上的熱量，如圖 11 所示。

圖 12 顯示了如何通過毯子移動熱量的示例概念。左側的等離子體向碳化硅金屬壁（藍色）發射光子（紅色）。這面墻的后面是一層流動的熔融鋰鉛（紫色）和一層流動的熔融鋰鹽（棕色）。這些層之后是約 1 米厚的熔融鋰鹽儲層（橙色）（例如 FLIBE），它吸收基于中子的體積熱并滋生氚。

圖 12：等離子體的中子輻射被毯子吸收并轉化為熱量。

如前所述，成本在某種程度上與環形體積成正比，并且大部分體積熱量傳遞到毯子內的前 20 厘米體積。因此，為了在經濟上可行，機器必須通過中子將大約 20 MW/m 3的能量移動到該體積中，并通過流動的液體將其移出。美國家庭平均消耗約 0.001 兆瓦的電力；因此，這就像通過輻射將價值 20,000 戶家庭的電力轉移到一立方米中，然后通過流動的液體將其轉移出去。

挑戰 4：最小化中子損傷造成的成本

中子轟擊固體材料中的原子晶格結構，使它們隨著時間的推移而變脆。液體沒有這個問題，因為它們沒有晶格結構。隨后，毯子中的第一米固體成分大約需要每年更換一次。以低成本做到這一點是一個挑戰。一種可能的方法是抬起反應堆的上半部分，露出易碎的部分，然后更換和恢復上半部分，如圖 13 所示。

圖 13：如何拆卸反應堆以更換被中子輻射損壞的內部組件的示例（來源：https ://www.burningplasma.org/activities/uploads_tec_talk1/FESAC_TEC_Demountable_Coils_FinalDraft.pdf ）

挑戰 5：知識產權協議

多方持有多項聚變專利。隨后，擁有重要專利的每一方都可能會阻止制造商。頂級專利持有人同意分享的大交易將是有幫助的。然而，一些專利所有者的要求可能比其他人愿意容忍的要多。一種解決方案是在專利到期后進行商業融合。

隨著我們越來越接近商業融合，人們可能會認為專利協議變得更加重要。然而，這并不完全正確。如果在此之前很久就達成協議，工程師更有可能利用他人控制的技術，這可能會提高他們的生產力。例如，如果當今世界的聚變工程師能夠使用 CFS 磁體，他們就可以更輕松地專注于商業聚變。

融合研究

為了發現新知識，科學家們構思了經過實驗檢驗的理論。在某些情況下，他們使用計算機來模擬理論并預測實驗結果。如果模擬始終如一地預測結果，則認為它是基于有效的理論。進行新實驗所需的時間會影響科學家驗證理論的速度。在聚變的情況下，進行新的實驗通常需要建造一個新的聚變反應堆，這需要 5 到 30 年。

人們可以將聚變分解為單獨的科學問題，例如磁體開發、等離子體約束研究和毯式研究。在每一種方法中，人們都可以看到進行實驗的最簡單方法。例如，要開發磁鐵，需要一個測試磁鐵的測試夾具，而不是大型聚變反應堆。為了測試等離子限制和排氣，人們需要像 MAST-U 這樣的東西，這是一個帶有相對簡單磁鐵的小型反應堆。

工程師可以在不離開辦公桌的情況下對整個聚變反應堆進行僅紙質設計。他們可以從設計目標開始，例如“設計一個商業上可行并使用現有材料的反應堆”。他們可以計算成本，計算物理參數，并模擬磁鐵產生的力之類的東西。此外，他們可以匯總尚未解決的問題列表。

Fusion 工程師已經完成了上述所有工作。他們已經分解了組成部分，他們已經展示了它們的實驗工作，他們已經完成了商業聚變反應堆的純紙設計，并且他們已經收集了需要注意的問題清單。在 CFS 開發出強大的磁鐵之前，僅紙質設計無法通過現有技術實現點火。然而，新的磁鐵改變了這一點，商業融合的純紙設計開始形成。剩下的主要問題是在高磁場和高中子輻射的情況下低成本的散熱。工程師們正在為此努力。

在這十年里，要讓商業融合運行起來需要什么？

為了加速核聚變研究，基金會或政府可能會設立一個額外的研究基金，由世界頂級核聚變科學家指導，并獲得每年數億美元的資金支持。脫碳可能會花費世界數萬億美元；因此，更多的融合資金是合理的。政府和基金會應該問：“頂級團隊會用更多的錢做什么，可能的結果是什么？” 和“在這十年中運行商業融合需要多少成本？”

結論

磁鐵和等離子限制的最新進展導致資本涌入，其中大部分流向了強大磁鐵的持有者 CFS。金錢和磁鐵是危險的組合；然而，討厭的問題可能會延遲成功。為了加速發展，基金會和政府應該考慮更多的支持，可能由世界頂級聚變科學家指導。

審核編輯 黃昊宇