到 2040 年，全球電力需求預計將翻一番，隨著電氣化擴展到新的應用，到 2060 年可能會增加五倍。目前，全球研究人員正在尋求滿足這一需求的一種解決方案，即建造能夠以零排放改變氣候的氣體提供電網規模電力的核聚變發電廠。

該技術將復制太陽的過程，太陽通過核聚變將物質轉化為數百萬年來釋放出巨大能量的過程，包括將氫同位素轉變為氦原子。眾所周知，自然界中的一切都趨向于勢能最小的狀態，我們都趨向于理想的靜止狀態。距離地面 1 米的物品放開會掉到地上；即，它將被吸引到一種勢能最小的狀態——在這種情況下，是引力能。

盡管原子水平的勢能具有不同的性質，但一切都以相似的方式起作用。在聚變反應中，兩種同位素的原子核融合，使它們都進入較低的能量狀態，釋放出多余的能量。然而，聚變反應需要非常高壓和高溫的環境，以使原子核在等離子體狀態（即物質的第四態）中彼此足夠接近。

給定元素的同位素因中子數而異。氫原子的原子核由單個質子產生，氫同位素因其他粒子而異：氘的原子核有一個質子和一個中子，氚有兩個中子，氫 4 有三個中子，依此類推。

在將質量轉化為能量時，核聚變反應使用愛因斯坦的比率：E = mc 2。帶正電的原子核往往會相互排斥，因此氫原子核必須能夠非常接近其他仍有質子的氫原子核才能實現聚變目標。這允許核力將它們結合在一起，從而產生更重的粒子。

溫度和等離子

高溫會熱攪動粒子，由此產生的無序運動可以幫助它們結合。如果它們帶正電，它們會相互排斥，因此需要達到至少 1 億攝氏度的溫度才能發生聚變。由于難以找到用作容器的合適材料，因此難以達到如此高的溫度。

然而，加熱含氫氣體所需的極高熱量（以及因此的能量）會將電子從其原子核中拉出，使其僅帶有正電荷（電離）。此外，在這些溫度下，氫氣將有兩個獨立的電流——一個是負的，來自從原子核中撕裂的電子，另一個是正的，來自幸存的質子——并且氣體會變成等離子體。磁場會影響在這個位置產生的電流。只有磁場才能將等離子體捕獲并限制在其線圈中，使其遠離安全殼壁。

稱為托卡馬克的磁約束反應堆使用環形（甜甜圈形）容器結構。

雖然需要大量能量來產生等離子體并保持它被控制住，但核聚變產生的能量超過了獲得它所消耗的能量。增益因子是獲得的能量與浪費的能量 (Q) 的比例。等離子體在較長時間內保持穩定（即被包含在內）也很重要。溫度和約束持續時間是展示核聚變潛力的關鍵標準。

在托卡馬克反應堆中，熱等離子體流被封閉在環形容器內，被磁場包裹、囚禁和控制（就像那些引導在大型加速器中運行的高溫粒子束的磁場一樣）。

在聚變反應堆中，只有自然界中最基本的元素氫相互作用。它的能源過程不產生廢物、危險產品、放射性廢物或其他化學品，因為不使用碳氫化合物、煤等化學成分或鈾等重元素。聚變的唯一結果是氦，它是一種輕質、惰性和安全的氣體。

在聚變發電廠中，放射性僅限于處理由已經在運行的中子通量激活的反應堆材料，以及氚的儲存（在 12 年內衰變），這種操作涉及現在很常見的輕放射性同位素在每家使用同位素進行診斷和治療的醫院或服務中。最后，與裂變反應不同，核聚變過程不會以鏈式方式運行：如果不提供等離子體流，反應將停止。

只需關掉電源。從而實現了本質安全和被動安全的概念。

融合技術

Helion Energy 的 Trenta 原型在聚變條件下合并和壓縮高 β 場反轉配置 (FRC) 氘等離子體，在高于 8 keV 離子溫度和1-keV 電子溫度。2018年，其第五代樣機產生7T磁場，高密度離子溫度達到2keV。

該系統由磁鐵組成，可將兩個 FRC 從 40 英尺加速器的兩端加速到 100 萬英里/小時。之后，他們在中間發生沖突。當 FRC 在系統核心相遇時，磁場會壓縮它們，直到它們達到聚變溫度。氘和氦 3 離子在此溫度下快速移動，克服排斥它們的力，使離子結合或融合。結果，能量被釋放，等離子體膨脹，推動磁場。場的變化導致電流流動，從而產生電力，用于為電力負載供電（圖 1）。

FRC 設備以自穩定環面的形式將等離子體限制在閉合磁場線上。與 spheromak 一起，它們被認為是緊湊型環形聚變裝置的一部分。FRC 設備通常比 spheromak 具有更細長的等離子體。

圖 1：Helion 系統框圖（來源：Helion Energy）

ITER多國聚變研究項目使用的反應堆是托卡馬克設計的。托卡馬克的環形真空室是它跳動的心臟。真空室沒有空氣和污染物。磁鐵保持和調節等離子體，等離子體在引入氣體燃料之前被充電。當大電流通過容器時，氣體會發生電分解，當電子從原子核中剝離時被電離，并產生等離子體。

ITER 使用超導磁體來限制等離子體（環形場線圈）并保持其形狀和穩定性（極場線圈）。一個磁籠將等離子體與安全殼隔開。在 68,000 A 的驅動下，磁場可能達到 11.8 T，接近地球磁場的 250,000 倍。

每塊磁鐵的大小為 17 × 9 米，重 320 噸。

圖2：ITER施工現場（來源：F4E）

其他聚變組件包括真空容器，一種用于在真空中容納聚變反應的雙壁容器。低溫系統冷卻磁體并達到理想的真空條件。遠程處理系統使用人工輔助機器人和虛擬現實來監控、維護和更換組件。診斷系統監測托卡馬克等離子體性能。

TAE Technologies 成立于 1998 年，是加州大學歐文分校的私人控股子公司，擁有專有的融合方法。與其他試圖利用太陽能發電過程的技術相比，該方法使用了一種產生和限制等離子體并在更高溫度下運行的機制，以實現具有更高穩定性和更高安全性的聚變。

TAE 的概念源于希望克服傳統托卡馬克反應堆面臨的挑戰，例如氘氚處理技術的必要性、氚稀缺性以及超導磁體的尺寸和成本。TAE 反應器由氫和硼驅動。在氫硼聚變中只產生三個氦核（稱為 α 粒子）和 X 射線，它們的能量用于為渦輪機提供動力。

TAE Technologies 的工程師和科學家在加州實驗室工作，但在全球范圍內，TAE 擁有 250 名專門從事反應堆開發和核聚變技術的員工。該公司已從包括 Google、NEA、Venrock 和 Wellcome Trust 在內的機構投資者以及家族基金會 Addison Fischer、Samberg Family 和 Charles Schwab 等機構投資者那里籌集了超過 8.8 億美元的私人資金。

圖 3：TAE 技術（來源：TAE Technologies）

General Fusion 使用稱為磁化目標聚變 (MTF) 的等離子體約束方法，該方法依賴于在脈沖基礎上運行的簡單電磁體來實現聚變。該過程可以在一個循環中重復。

它是這樣工作的：

? 容器中裝滿液態金屬，將其旋轉直至金屬形成空腔。? 氫等離子體被注入到產生的空腔中。? 等離子體被壓縮并加熱到超過 1 億攝氏度，然后發生聚變。

MTF 等離子注射器由電磁鐵供電。由于旋轉運動，注射器會產生一個等離子體環，該環會產生磁場，從而形成一團粒子。等離子環被壓縮到應該發生核聚變的溫度和壓力。等離子粒子沿著磁場線移動，然后在不與墻壁碰撞的情況下循環。磁場防止熱聚變等離子體與液態金屬碰撞并冷卻。隨著等離子核心升溫，磁場起到良好的熱絕緣體的作用。

根據 General Fusion 的說法，MTF 有四個關鍵優勢：

?材料耐用性。液態金屬襯里保護 MTF 結構免受聚變反應釋放的中子的影響，克服了面向等離子體材料的結構損壞問題。

?燃料生產。融合過程首先用液態金屬填充罐，旋轉金屬直到形成空腔。General Fusion 將氫等離子體注入空腔。

?能量轉換。在試點工廠中，熱量將從金屬中提取并用于制造蒸汽。蒸汽將驅動渦輪機并產生電力。

?能源經濟學。General Fusion 聲稱 MTF 易于制造和擴展，因為它使用簡單的電磁體并且不需要昂貴的激光器。

圖 4：過熱等離子體是實現聚變能量的關鍵。（來源：通用融合）

與此同時，First Light 使用基于慣性約束的技術，其目標是通過快速壓縮聚變燃料并利用燃料的慣性來維持這些條件足夠長的時間以激活聚變反應來實現聚變條件。

很難完善需要將原子加熱到太陽溫度更長一段時間的過程，特別是如果原子必須長時間保持在該溫度下。First Light 通過將燃料引向快速射彈來縮短保持溫度恒定所需的時間；結果，融合過程發生在幾分之一秒內。First Light 認為它的方法將避免聚變反應堆建造中一些最困難的方面。

時間表

如此處所述，沿著幾條研究路線前進，全球為實現可行的基于聚變的電力所做的努力預計將在一到二十年內取得成功。那是一段相當短的時間，我們記得最早對聚變的科學研究可以追溯到 1930 年代，托卡馬克解決方案誕生于 1950 年代。

審核編輯 黃昊宇