麻省理工学院一次刊发7篇论文，详解“人造太阳”重大突破！2025人类终极能源未来可期？
9 月 29 日，《等离子体物理学杂志》（Journal of Plasma Physics）专刊一举刊登7篇研究论文，全面报道了美国麻省理工学院（MIT）与初创公司 Commonwealth Fusion Systems 关于新型可控核聚变反应堆研究工作的重大突破。
在一系列论文中，研究人员详细阐述了其关于小型化可控核聚变反应堆的理论研究进展。他们宣称，在使用了新型高温超导材料之后，其设计的 SPARC 反应堆将能达到与国际热核聚变实验堆（ITER）同等级别的性能指标，而体积却只有后者的 2%。
如果项目能够如期在 2025 年完成，这将成为世界上首个输出能量大于输入能量的可控核聚变反应堆，将人类关于可控核聚变反应的研究进展大幅提前至少十年；更为未来小型化、低建造难度的商用可控核聚变反应堆指出一条全新的发展路径。
图 | SPARC 反应堆
（来源：T. Henderson/CFS/MIT-PSFC）
中国目前也在开展多项核聚变研究，其中，中国聚变工程实验堆（CFETR）最具雄心，是中国自主设计和研制，并联合国际合作的重大科学工程， 将于 2021 年开始立项建设。DeepTech 联系了参与其中的多位专家，来评价 SPARC 项目的最新进展，得到的答复多为：“对此项目不了解，无法评价。”也有专家对此进展表示鼓励，“听说过 MIT 的一些关于此紧凑型装置的设计，但没有认真调研。多途径探索是技术发展的有效方法，钦佩 MIT 人员的努力和勇气。”
一位在中国科学院核聚变大科学工程中负责超导材料研究的研究员告诉 DeepTech，聚变功率与磁场的四次方成正比，这也是 SPARC 项目追求强磁场的原因，但“追求高磁场，成本比较难降！”
尽管在业内专家眼中，SPARC 项目还存在诸多挑战，但依然算核聚变领域期待已久的重大突破，尤其是在国际热核聚变实验堆又一次宣布推迟之后。
梦想中的人类终极能源——可控核聚变
可控核聚变可谓人类能源问题的终极解决方案。
我们现有的绝大多数利用能源的方式，归根到底都来源于太阳在过去和现在辐射到地球的能量。而太阳以及其它宇宙中恒星的能量来源，却是核聚变。
当两个质量较轻的原子核融合时，其质量将有一部分转化为能量。例如，一个氘原子核（2H 或 D）和一个氚原子核（3H 或 T）融合时，总质量会减小，亏损的质量变成一股巨大的能量释放出来，其大小等于这部分质量乘以光速的平方。
图 | 氘 - 氚 （D-T）的核聚变反应产生氦（He）与中子（n）并释放核能。（来源：wikicommons）
这意味着，核能有着比化学能、机械能相比大得多的能量密度：在人类已知的反应中，核聚变反应所能释放出来的能量仅次于正反物质湮灭。
以上述氘 - 氚（D-T）核聚变反应为例，作为难度最低、释放能量最小的核聚变反应，同等质量的氘 - 氚核聚变所能释放出来的能量大约是汽油的 2500 万倍。与之相比，我们熟知的核电站利用的则是核裂变，也就是铀 235 原子分裂时产生的能量，其能量密度仅仅是氘 - 氚核聚变的百分之一。
核裂变发电本来是很好的零碳能源形式。然而福岛核事故之后，因人们对核裂变过程中在核辐射、核废料处理、反应过程控制、防止核泄漏等方面存在诸多疑虑，不少国家放慢、甚至取消了发展裂变核电的计划。而比核裂变强大得多的核聚变则没有这些问题：氘 - 氚燃料来源广泛，核反应过程中几乎没有核辐射，废料也几乎没有放射性，反应还好控制——只要断电就可以终止，无需担心出现恐怖的核事故。
因此，可控核聚变简直就是人类梦想中的能源形式，一旦实现，人类文明都有可能因此再上一个台阶。
图 | 设计中的可控核聚变发电流程（来源：SPARC）
可是，几十年过去了，人类在核聚变发电技术方面仍然进展缓慢。这是因为，想要实现可控的人工核聚变，简直太难了。
永远的还差 50 年
人类并不是没有掌握人工核聚变的技术。早在几十年前，人类就实现了不可控的人工核聚变，并利用其巨大的能量，造出了我们目前所掌握的最恐怖的武器——氢弹。
图 | 人工核聚变：不可控的氢弹（左）和可控的“东方超环”。（来源：U.S. Air Force，中国科学院合肥物质科学研究院）
而在实验室里，我们也可以成功维持一段时间的可控核聚变。例如 2017 年，位于合肥的中国大科学装置“东方超环”—— 先进实验超导托卡马克（EAST）创造了 102 秒、芯部电子温度超过 5 千万度的世界纪录，而 2018 年更是首次实现了 1 亿度等离子体运行。然而这些可控核聚变过程中，维持聚变反应所消耗掉的能量总是大于我们从聚变反应中获得的能量。
几十年来我们一直听说，人类离实现可以发电的可控核聚变还有 50 年的时间。几十年前就说还差 50 年，几十年后依然如此。甚至有很年轻的科学家表示，自己的有生之年应该是看不到可控核聚变为人类贡献能源的那一天了。
这是为什么呢？
其关键难点之一在于，核聚变所要求的温度实在太高了。
太阳上内核温度有 1500 万度，而如果我们在地球上想要利用核聚变来发电，温度必须要达到 2 亿度。在这个温度下，原子中的电子将与原子核分离，共同形成等离子体。一旦等离子体与位于地球表面上的外部世界接触，其温度将不可能保持在 2 亿度。因此，参与可控核聚变的等离子体必须要与外界隔绝开来，装在一个特殊的容器中，在我们的控制下慢慢地发生反应，而不是像氢弹那样将能量瞬间释放，产生巨大的破坏。
然而，地球上并没有这样的物质来制作这样一个容器。我们所拥有的最耐热的物质——钨，只能耐受 3000 度。
那么还有什么别的办法？
用实打实的物质不行，几个苏联物理学家在 1950 年代想出了一个新方法：用看不见摸不着的磁场，来给等离子体编织一个逃不出去的笼子。
这便是所谓的“托卡马克（Токамáк）”，来源于俄语的环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）和线圈（kotushka）。顾名思义，就是在真空的环境中，用环形线圈形成一个封闭的磁场，里面充满没头没尾的磁感线。等离子体是带电的，会被封闭的磁感线束缚住，绕着它做螺旋式运动，这样，参与核聚变反应的等离子体就会被束缚在磁场做的笼子里面。其所产生的热能，就可以有序地释放出来，被发电系统收集，最后转变为电能。
从上世纪五六十年代的苏联开始，不少国家都建立起自己的托卡马克反应堆。其中最重要的，是正在建设中的国际热核聚变实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor， ITER），由欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国共同建设，是世界上最大的磁约束等离子体物理学实验装置。
ITER 于 2006 年开始启动，最初计划总投资 100 亿欧元，预计在 2018 年完成建设。然而，本应成为国际科研合作典范的 ITER 项目，进展却一拖再拖，经费也节节攀升。今年刚刚发布的最新计划，已经把启动核反应的时间推迟到了 2035 年。
经费和政治的原因固然重要，但 ITER 的大手笔设计和超高的建造难度，才是其一直不能成功的根本原因——这个设备过于庞大、复杂和精密了：
图 | 庞大、精密、复杂的 ITER 一拖再拖，反复跳票（来源：Oak Ridge National Laboratory）
新材料+旧设计=新可能
显然，如果要降低托卡马克装置的成本和建造难度，一个好办法就是减小它的体积。
核聚变领域有一个重要的指标，叫做聚变能增益系数 Q，是核聚变反应释放的能量与为了维持核聚变所需要的能量的比值。在没有物理原理突破的情况下，要想实现比较高的 Q 值，托卡马克装置要么得有大尺寸，要么得有强磁场。ITER 设计于十几年前，概念设计甚至始于上世纪八十年代。其所使用的超导材料性能一般，为了达到 Q=10 目标，其等离子体大半径高达 6.2 米，给项目的技术和资金带来了巨大的挑战。
而这次 MIT 与 Commonwealth Fusion Systems 团队给出的托卡马克小型化的办法，就是用更好的超导材料获得更强的磁场。
最近几年，超导材料领域出现了重大突破。后发制人的 SPARC 项目，用上了比 ITER 好得多的新型高温超导材料——稀土钡铜氧化物。
为此，他们研究出了一种新型高温超导导电带，经过数千次类似磁场环境情况下的循环之后，表现优异。在液氦温度下，仅有 0.1mm 厚、12mm 宽的线缆可以通过 5000 安培的电流。与之相比，同等截面积下的普通铜线，在常温下仅能安全通过约为 6 安培的电流。
图 | 高温超导导电带（来源：SPARC）
这样一来，SPARC 就可以形成极其强大的磁场。为了达到与 ITER 同样的 Q 值，SPARC 的等离子体大半径只需要 1.85 米就可以了。半径缩小了 3 倍多，意味着体积将只有 ITER 的 2%。这个体积相当于一个中型反应堆的大小，但其强得多的磁场却让它可以提供 50-100 兆瓦的核聚变能量。
除此之外，SPARC 其它设计原理都与 ITER 一模一样。Commonwealth Fusion Systems 并不是唯一一家从事可控核聚变研究的初创公司。美国的 TAE Technologies 和英国的 First Light Fusion 也是这个领域的明星初创公司。但与他们相比，Commonwealth Fusion Systems 的技术路线更加保守，除了新材料以外，其它均是 ITER 经过验证的成熟设计。这意味着，其成功的几率要大得多。而大幅缩小的尺寸，意味着大幅降低的成本和建造难度。
可能也正是由于同样的原因，Commonwealth Fusion Systems 也是第一个将自己的进展以论文的形式向全世界公布的私营公司。通过这些论文，我们得以对他们的研究一探究竟。
新项目的新挑战
SPARC 项目的第一阶段开始于 2018 年，计划到 2021 年之前完成这种小型化托卡马克的系统设计。目前，已经逐渐迭代升级到了最新的 V2 版本。
图 | 目前的 V2 版本设计，蓝色的是超导线圈。（来源：Creely et al. 2020）
得益于近几年核聚变反应模拟计算的进步，高通量模型让他们预测出了 SPARC 在实际运行中的表现。计算发现，V2 版本最高将可以达到 Q≈9，经验公式更是显示可以达到 Q≈11，实现 140 兆瓦的核聚变能量输出。即便是在非常保守的运行情况下，SPARC 也依然可以实现 Q>2 的设计目标，输出 50 兆瓦的功率。
尽管并不是所有人都认同这些结果的可靠程度，但显然 MIT 和 Commonwealth Fusion Systems 对他们的结果充满信心。他们认为，项目的第二阶段建设将如期在明年 7 月左右开始，并在 2025 年完成最后的设计、建造和运行。
也就是说，尽管项目启动比 ITER 晚了 12 年，开工建设（如果可以顺利开工的话）也将比 ITER 晚 8 年，但由于小型化、低成本，他们取得成功的时间却可以比 ITER 提前 10 年。届时，他们将成为世界上第一个实现 Q>1 可控核聚变反应的团队，超过所有其它的政府和私人赞助的项目。
如果可以成功，这将不只是 MIT 的胜利，更是全人类的胜利。
然而，就算他们的理论计算没有问题，也不是所有人都认为他们可以如期完成任务。毕竟 ITER 的教训历历在目，MIT 和 Commonwealth Fusion Systems 团队似乎太乐观了。
大家的猜测并不是没有道理。尽管已经基本完成设计，但在真正开工之前，他们还需要解决一系列的问题。如此小的体积却有如此高的能量，这需要他们制造出可以耐受超高温等离子体、伽马射线的壁面，找到更好的将能量和燃料输入实验装置的方法、将能量提取出来的方法，要可以应对突发热负荷和电负荷变化，还要实现关键性能指标的准确测量。
前述参与中科院核聚变大科学工程的研究员认为，“追求高磁场，成本比较难降！”此外的问题还包括，目前可以使用高温超导材料实现高磁场，但效果怎么样，还没被证明过。另外，在磁体技术方面，不是很成熟，聚变界现在也在开展这方面的研究。
托克马克装置越小，核心温度越不能维持。这个装置如果仅仅是规模做小、超导做大，是远不足以达到目标的。没有新的思路加大核心压力，光靠加大输入能量而企图单方面提高温度，恐怕永远解决不了问题。
或许 MIT 还有更核心的、处于保密状态的技术。在他们的实验装置输出净功率之前，我们还是继续保持观望的态度为好。
也就是说，尽管目前看来项目进展一切都还顺利，可理论阶段毕竟只是理论，真正的硬骨头还远没有到来。
但对于人类社会来说，我们并不介意多等几年。即便 SPARC 不能顺利完成，我们也可以有别的期待：如果 ITER 不再跳票，2035 年我们将迎来一个大型的 Q=10 的托卡马克；而同样吸收了 ITER 经验，中国将在 2050 年建成一个更加强大的、Q=25 的 “中国聚变工程实验堆（CFETR）” 项目。
在《等离子体物理学杂志》为 SPARC 撰写的社论中，SPARC 项目负责人、MIT 等离子体科学与聚变中心常务副主任、Commonwealth Fusion Systems 联合创始人 Martin Greenwald，引用了肯尼迪著名的《我们选择登月》演讲来描述自己的决心：
“我们选择十年以内登月并实现其它目标，不是因为它们容易，而是因为它们困难，因为这一目标有助于我们最大限度地组织和衡量我们的能力和技能，因为这个挑战是我们乐于接受的，因为这个挑战是我们不愿推迟的……”
图 | 肯尼迪登月演讲。（来源：Flickr）
肯尼迪的时代已经过去，美苏争霸也成为了历史，人类却比过往的任何时候都更加需要清洁的能源，来拯救我们的命运。我们希望难度低很多的 SPARC 可以为可控核聚变指出一条更加容易实现、也因此更有意义的明路，更希望有更多的 SPARC 可以在全世界各地涌现出来。
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参考
Creely, A. J. (2020). Overview of the SPARC Tokamak. Journal of Plasma Physics (in Press), 1–25. https://doi.org/10.1017/S0022377820001257
Greenwald, M. (2020). Status of the SPARC physics basis. 18–20. https://doi.org/10.1017/S0022377820001063
https://www.psfc.mit.edu/files/psfc/imce/research/topics/sparc/MITSPARCbrochure.pdf
https://futurism.com/mit-researchers-fusion-reactor-very-likely-work
https://phys.org/news/2020-09-validating-physics-mit-designed-fusion.html
https://www.nytimes.com/2020/09/29/climate/nuclear-fusion-reactor.html
https://www.zaojiu.com/talks/908
https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_density_Extended_Reference_Table
https://www.britannica.com/technology/thermonuclear-bomb
https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak
https://www.psfc.mit.edu/sparc/greenwald
https://cfs.energy/
https://news.mit.edu/2020/physics-fusion-studies-0929
https://www.spacedaily.com/reports/MIT_physicists_inch_closer_to_zero-emissions_power_source_999.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion
https://zhuanlan.zhihu.com/p/40595242
https://en.wikipedia.org/wiki/ITER
https://en.wikipedia.org/wiki/Rare-earth_barium_copper_oxide
http://www.xinhuanet.com/tech/2020-06/15/c_1126113918.htm
https://www.neimagazine.com/features/featurechina-fusion-roadmap-7436879/