为什么核聚变总是“30年后到来”

核聚变长期以来一直被视为能源研究的“圣杯”。它代表着一种几乎取之不尽、用之不竭的清洁、安全且可自给自足的能源来源。自 1920 年代英国物理学家亚瑟·爱丁顿首次提出其理论以来，核聚变就一直吸引着科学家和科幻小说家的想象力。

聚变的核心是一个简单的概念。将两个氢同位素以巨大的力量碰撞在一起。这两个原子克服了它们的天然排斥力并融合，产生巨大的能量。但巨大的回报需要同等巨大的投入，几十年来，我们一直在努力解决如何为氢燃料充电并保持其稳定，因为它达到了超过 1.5 亿华氏度的高温。

迄今为止，最成功的聚变实验已成功将等离子体加热到超过 9 亿华氏度，并将等离子体维持了三分半钟，尽管并非同时进行，且使用了不同的反应堆。最近的进展来自德国，那里的Wendelstein 7-X反应堆最近成功进行了首次运行，达到了近 1.8 亿度的高温。中国则拥有EAST反应堆，它在较低温度下维持了 102 秒的聚变等离子体。

然而，即使取得了这些进步，研究人员几十年来一直表示，我们距离一个可用的聚变反应堆仍有 30 年的差距。尽管科学家们正朝着他们的“圣杯”迈进，但越来越清楚的是，我们甚至还不知道我们不知道什么。

每一个答案都会带来更多的问题

Wendelstein 7-X 和 EAST 反应堆实验被誉为“突破”，这是常用于聚变实验的一个形容词。尽管这些例子可能令人兴奋，但从问题的规模来看，它们只是小小的进步。显然，要实现聚变，需要的不仅仅是一个或十几个这样的“突破”。

“我不认为我们已经到了知道如何跨越门槛的地步，”加州国家点火装置主任马克·赫尔曼说。“我们仍在了解这门科学。我们可能消除了某些干扰，但如果我们消除了它们，是否会有其他东西隐藏在后面？几乎肯定会有，而且我们不知道要解决它们有多难。”

在未来十年内，我们很可能会对聚变面临的未知问题有更好的了解，届时一个国际支持的、旨在成为世界上最大的反应堆的项目将完成。这个名为ITER的设施将把我们对聚变的所有了解整合到一个反应堆中。它代表着我们目前最有希望可靠地达到“临界点”，即聚变反应产生的能量超过用于产生它们的能量的临界温度和密度。在临界点，两个原子融合时释放的能量足以引发其他原子融合，从而产生一个自持循环，使聚变发电厂成为可能。

然而，几乎不可避免的是，ITER 也遭遇了挫折和设计争议，这减缓了建设进度。美国甚至威胁要削减其在该项目上的资金。正是这种预算和政策上的犹豫，可能导致我们未来几十年继续说聚变是 30 年后才能实现。面对更紧迫的挑战，从健康流行病到恐怖主义，为一项科学上的“长期赌注”争取资金是一笔难卖的交易。一系列数十年的“突破”只带来更多挑战，再加上普遍存在的挫折，稀释了可用聚变反应堆的宏大前景。

聚变到底是什么？

可靠地达到临界点是一个双重问题：启动反应和维持反应。为了从聚变反应中产生能量，您必须首先注入足够的能量来以有意义的速率催化核聚变。一旦跨越了这个界限，燃烧的等离子体就必须被牢固地约束，以免其变得不稳定，导致反应熄灭。

为了解决约束问题，大多数装置使用强大的磁场将等离子体悬浮在空中，以防止极高的温度熔化反应堆壁。这些“磁约束装置”看起来像一个巨大的甜甜圈，其中包含一个由磁场约束的等离子体环，如果达到足够高的温度，聚变就会在那里开始发生。俄罗斯物理学家在 1950 年代首次提出了这一设计，但直到几十年后他们才真正用它们实现了聚变。

要用这样的装置产生真正稳定的等离子体，需要两个磁场：一个环绕等离子体，另一个沿着环的方向跟随它。目前有两种类型的磁约束装置正在使用：托卡马克和仿星器。两者之间的差异相对较小，但它们可能对决定其未来成功至关重要。

它们设计的主要区别在于它们如何产生极向磁场——即环绕等离子体的那个。托卡马克通过让电流流过等离子体本身来产生该磁场，而仿星器则使用装置外部的磁体来创建环绕等离子体的螺旋形场。普林斯顿等离子体物理实验室的哈奇·尼尔森表示，仿星器整体上被认为更稳定，但更难制造且缺乏研究。另一方面，托卡马克则更容易理解和制造，尽管它们存在一些固有的不稳定性问题。

目前，在这两种方法的竞争中没有明显的赢家，因为两者似乎都离“圣杯”不远。因此，由于缺乏胜者，研究人员正在同时建造两者。“目前还没有解决方案，所以研究两种非常有现实意义且有前途的配置来弥合这一差距是负责任的做法，”尼尔森说。

目前，世界上最大的聚变反应堆是联合欧洲托卡马克（JET），这是一个位于英国、由欧盟支持的托卡马克。JET 于 1970 年代投入使用，并于 1983 年首次启动并成功产生了等离子体，这是实现聚变的第一步。通过一系列始于 1980 年代末的升级，JET 成为世界上最大的聚变发电机，目前在聚变反应中产生的能量记录为 16 兆瓦。尽管如此，它尚未达到临界点。

ITER 提供了一种途径

要达到这个至关重要的里程碑，我们可能不得不等待ITER。ITER 在拉丁语中意为“途径”，它将是世界上最大的、最强大的聚变发电机，并有望跨越临界点。ITER 预计将产生 500 兆瓦的功率，输入功率为 50 兆瓦，并能维持等离子体半小时或更长时间。这足以供大约 50,000 户家庭使用。该项目基于托卡马克设计，是欧盟和包括美国在内的六个国家合作的结果，这些国家汇集了资源和专业知识来建造一个有望成为可用聚变能源的门户的反应堆。

EUROfusion 的研究员 Duarte Borba 表示，当前发电机面临的主要问题之一是尺寸问题，而 ITER 将试图克服这一不足。随着反应堆尺寸的增大，它们会变得更稳定，并能达到更高的温度，这是产生聚变的两个关键因素。ITER 将成为 JET 的继承者，并将把 JET 开发的技术应用于更大规模的生产。这包括 JET 的钨和铍偏转器，它们能捕获反应堆中的能量，以及能够完全远程控制系统的能力。

据 Borba 称，ITER 还将使用超导磁体来产生磁场，而不是铜制磁体。这样的磁体将减少装置消耗的能量，并允许更长、更持续的等离子体生产。JET 目前只能断续地产生等离子体，因为它无法长时间维持高能量消耗水平。

合作是关键

Borba 表示，JET 作出的、并在 ITER 中实施的最重要的发展甚至可能不是科学上的，而是官僚主义性质的。作为由多个国家支持的项目，JET 为组织和实施一项大规模、长达数十年的项目铺平了道路。ITER 的预计造价为 150 亿美元，并且需要大量的复杂组件，如今只有通过合作才能实现。每个成员国都贡献研究人员和组件，希望潜在的收益能够为所有人共享。

然而，ITER 的民主性质极大地减缓了其建设速度。目标是让所有部件同时到达，但将每个部件分配给不同的国家会带来政治和经济变量，从而打乱时序。当 ITER 于 2006 年首次获得正式批准时，其计划是在 2016 年实现首次聚变，但这一日期此后已被推迟至少 10 年。组件制造问题和设计分歧被认为是导致延误的原因。

全球努力

尼尔森表示，要实现一个能够满足我们能源需求的聚变发电厂，仅靠 ITER 仍然不够。尽管它代表着反应堆设计上的重大进步，但 ITER 并不是聚变研究的终点。如果一切顺利，ITER 将为另一个名为 DEMO 的反应堆铺平道路，该反应堆将把 ITER 完善的技术扩展到工业规模，并有望证明核聚变是一种可行的能源来源。

与此同时，世界各地出现的新一代聚变反应堆将继续在追求聚变的过程中发挥至关重要的作用。尼尔森说，它们的补充研究远非多余，而是将从不同角度解决问题。虽然 ITER 解决了规模问题，但亚洲的聚变项目正在尝试更长时间地维持等离子体，同时探索超导磁体的好处。

与此同时，在德国，Wendelstein 7-X 正在突破仿星器设计的界限，可能完全规避稳定性问题。核聚变研究在国际合作方面取得了温和的成功，越来越多的国家决心贡献自己的一份力量。

今天，美国、德国、英国、印度、法国、日本以及其他几个国家都在进行核聚变实验。还有更多反应堆正在规划或建设中。尼尔森说，即使兴趣激增，也仍然不够。“对于像聚变这样密集且具有挑战性的问题，您希望有比我们实际拥有的更多的实验来尝试解决问题的不同方面，”尼尔森说。

不仅仅是科学问题

最终，问题可能出在资金上。多个消息来源表示，他们相信如果获得更多支持，他们的研究进展会更快。资金挑战在科学研究中当然不是新问题，但核聚变因其近乎世代的时间尺度而尤为困难。尽管潜在的好处显而易见，并且确实能解决当今能源短缺和环境变化的问题，但我们看到聚变研究的回报之日仍然遥遥无期。

ITER 传播部负责人拉班·科布伦茨说，我们渴望立即获得投资回报，这削弱了我们对聚变研究的热情。“我们希望我们的足球教练在两年内取得成绩，否则就被淘汰；我们的政客任期为两年、四年或六年，然后就被淘汰——投资回报的时间非常短。”他说。“所以，当有人说我们将在 10 年内为您准备好时，这是一个很难讲的叙事。”

在美国，每年的聚变研究资金不到 6 亿美元，包括我们对 ITER 的贡献。与能源部在 2013 年申请的30 亿美元相比，这笔款项相对较少。当年，能源研究占美国总研究经费的 8%。

“如果从能源预算或军事发展投入的角度来看，投入到这方面的钱确实不多，”马克斯·普朗克等离子体物理研究所的部门主管托马斯·彼得森说。“如果我们与其他研究项目相比，它似乎非常昂贵，但如果我们将其与石油生产、风力涡轮机或可再生能源补贴进行比较，它的投入要少得多。”

彼得森从预期投入和收益的角度看待聚变研究。太阳能和风能的研究成本可能相对较低，但与可用的核聚变发电机相比，其回报相形见绌。

总是 30 年后到来

然而，终点线早已可见，它似乎是一个随着每一步前进而退缩的山顶。被遮蔽的是道路，它不仅被技术障碍所阻挡，还被政治和经济因素所阻碍。科布伦茨、尼尔森和 Borba 都毫不怀疑聚变是一个可以实现的目标。但是，我们何时能实现它，可能很大程度上取决于我们想要它的程度。苏联物理学家、托卡马克之父列夫·阿尔希莫维奇可能已经最好地总结了这一点：“当社会需要它时，聚变就会到来。”