長達1萬千米的高溫超導膠帶能實現(xiàn)核聚變發(fā)電嗎?

在波士頓附近的一個美國陸軍備用基地舊址上，一座不同尋常的建筑從起伏的山丘中拔地而起。聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司(CFS)的科學總監(jiān)布蘭登•索爾博姆(Brandon Sorbom)帶著我走向十字形大樓的中心，沿途經(jīng)過一個個腳手架、叉車和一隊隊焊工、油漆工。走下樓梯，我們來到一個地下室，墻面為2.5米厚的混凝土，4根粗壯的柱子支撐著高高的天花板。索爾博姆指著房間天花板中央的一個大圓洞說：“若一切按計劃進行，幾個月后，Sparc托卡馬克裝置就會在那里落成。”在甜甜圈狀的真空室里，一座3米高的高溫超導磁體將產(chǎn)生強大的磁場，擠壓并聚集不斷旋轉的過熱氫等離子體。整個過程模仿了太陽的燃燒過程，氫離子(氘和氚的同位素)加速并碰撞，聚變成氦，釋放出高能量的中子。作為初創(chuàng)企業(yè)，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司以麻省理工學院數(shù)十年的研究為基礎，對技術進步和激增的私營部門投資加以利用，是近十年來涌現(xiàn)的新一波核聚變能源項目的領軍者之一。核聚變工業(yè)協(xié)會(FIA)的負責人安德魯•霍蘭德(Andrew Holland)表示，多家核聚變能源公司目前籌集的資金已達50多億美元，其中大部分是2021年以來籌集的。這些公司均打算在這個十年末達成正能量增益，即從反應中獲得的能量多于觸發(fā)這些反應的能量。索爾博姆說：“到那時，我們離無碳電力的新時代就又近了一步。我們希望能按時實現(xiàn)這一目標，使其成為解決氣候危機方案的重要部分。”聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司技術的與眾不同之處在于使用了高溫超導膠帶，這種膠帶分層堆疊，可形成極強的電磁體，影響和約束任性的等離子體，并使大部分帶電粒子遠離托卡馬克的壁體。該公司認為，這一新穎方法將能夠建造高性能的托卡馬克，比以前的要小得多，且成本更低。

目前，核聚變能源研究主要有兩條途徑。磁約束聚變使用電磁體來限制等離子體，通常在托卡馬克內;慣性約束聚變則壓縮并加熱充滿燃料的目標(通常使用激光)，進而觸發(fā)反應。隨著材料科學、高速計算、建模和仿真的進步，這兩種方法的進展也在加速。在采用磁約束的公司和機構中，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司在籌款方面領先，已經(jīng)獲得了超過20億美元的資金，用于建造Sparc試點工廠。一般而言，超導材料在冷卻至臨界溫度以下時，可以無電阻無能量損失地傳導直流電。顧名思義，高溫超導(HTS)磁體可在比傳統(tǒng)托卡馬克所應用的溫度更高的情況下實現(xiàn)超導，而后者通常需要更復雜、更昂貴的冷卻系統(tǒng)，包括液氦。“高溫”可能會讓人聯(lián)想到溫度高到令人燙傷，而實際上高溫超導材料的工作范圍在20到77開爾文(約-200℃到-250℃)。這仍然是很低的溫度，但比一般超導體所需的溫度要高得多，因為超導體只能在接近絕對零度的溫度下工作。“這些新材料為聚變能開辟了一條新途徑，因為除了在相對較高溫度下實現(xiàn)的超導能力外，它們還能夠進入非常高的磁場。”美國能源部(DOE)高級顧問、首席聚變協(xié)調員斯科特•許(Scott Hsu)這樣說，“這些特性為設計體積小、結構簡單、成本低的聚變系統(tǒng)提供了可能，這些系統(tǒng)建設速度快，容易拆開進行維護。”類似聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司這樣的緊湊型托卡馬克可以改變核聚變能源的發(fā)展趨勢。過去40年來，主導趨勢一直是建造越來越大的機器。到目前為止最大的項目是國際熱核聚變實驗堆(ITER)，這是在法國卡達拉什建造大型托卡馬克的國際合作項目。自2013年開始建設以來，ITER聚變實驗已經(jīng)吞噬了全世界大部分用于聚變能研究的公共資金。ITER的項目監(jiān)理組織近期估計該項目耗資約為220億美元，使2006年最初估計的56億美元相形見絀。“ITER是一個非常令人興奮且有用的實驗，但它有一個規(guī)模的問題。”聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司的索爾博姆說，“如果能以某種方式縮小托卡馬克，就能更快、更便宜地建造它。”但這是不可能的。由于ITER的長期項目規(guī)劃和國際合作結構，它遠不能從當代尖端的高溫超導體中獲益。聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司利用高溫超導建造的Sparc托卡馬克，規(guī)模只有ITER的1/40，而且時間短、成本低。

聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司這樣的小公司與ITER(有史以來最昂貴的科學實驗之一)的對抗，很容易讓人聯(lián)想到“大衛(wèi)和歌利亞”(常用來比喻“不可能實現(xiàn)的勝利”，譯注)的故事。但在許多方面，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司的Sparc都站在了ITER的肩膀上。ITER項目極大地促進了研究人員對磁約束聚變的了解，促使該行業(yè)形成和擁有高度專業(yè)化的全球供應鏈從業(yè)人員。事實上，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司的6位創(chuàng)始人均對ITER及其物理學基礎作出了貢獻。

其中之一是等離子體物理學家鮑勃•蒙加德(Bob Mumgaard)，他開創(chuàng)了測量托卡馬克等離子體內電流分布的方法。2015年，蒙加德與麻省理工學院的一群研究人員一起，重新設計核聚變發(fā)電的方法。1986年，IBM的研究員約翰內斯•喬治•貝德諾茨(Johannes Georg Bednorz)和卡爾•亞歷山大•米勒(Karl Alexander Mülle)發(fā)現(xiàn)了高溫超導體，并因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。自那之后，高溫超導技術一直在逐步改進。陶瓷和稀土材料的實驗和新配方提高了高溫超導體的性能，也提高了超導體的工作溫度，極大地改善了高壓輸電線路、磁共振成像和能量存儲的性能。蒙加德于2018年共同創(chuàng)立了聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司，現(xiàn)在是該公司的首席執(zhí)行官。他說：“隨著這些材料最終商業(yè)化，我們意識到不需要取得額外的物理突破也可以實現(xiàn)目標，事實上，從物理學家的觀點出發(fā)，我們的裝置看起來有點乏味;我們依靠的是由ITER和其他實驗建立起來的等離子體物理學。而我們決定把所有風險都放在磁體技術上。從理論上講，通過極致的磁場，我們可以獲得極高的性能。”

該團隊選擇的超導體是氧化釔鋇銅(YBCO)。制造氧化釔鋇銅膠帶時，有的制造商首先使用激光將大塊的氧化釔鋇銅蒸發(fā)成羽狀;然后，羽狀氧化釔鋇銅以薄膜的形式沉積在鋼質基板上;隨后，氧化過程將氧化釔鋇銅的結構改變?yōu)槟軌驅崿F(xiàn)超導的狀態(tài)。索爾博姆的實驗證實了氧化釔鋇銅膠帶可以承受聚變原子擠壓出的高速中子的沖擊，后來成為他博士論文的基礎。之后，麻省理工學院和聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司的聯(lián)合團隊開始著手進行棘手的工作，他們采購昂貴、易碎的高溫超導膠帶并將其纏繞成線圈。在兩年多的時間里，團隊設法購買了全世界上大部分4毫米寬的高溫超導膠帶，實現(xiàn)了迄今為止最大的采購量，貨源甚至遠達日本和俄羅斯。技術人員費力地將膠帶纏繞成16個線圈，然后將它們組裝成一堆煎餅的樣子，形成環(huán)形的磁場磁體，圍繞在托卡馬克的一個部位。2021年9月，在麻省理工學院等離子體科學與聚變中心，研究小組給磁體通電，看著它將產(chǎn)生的磁場增強到20特斯拉。這一強度大約是地球磁場典型值的40萬倍，足以將一艘航空母艦托出水面。該團隊將通電的磁體保持在穩(wěn)定狀態(tài)約5小時。索爾博姆說：“我們的演示證明大體上可以人工制造16個繞組線圈，并將其組裝成一個高性能磁鐵。但我們能一次又一次地重復這一過程，而且保持很快的速度嗎?”為磁化Sparc，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司團隊需要將這一過程重復18次。在Sparc工廠附近，一部磁體組裝設備正在加快生產(chǎn)速度。索爾博姆稱：“我們已將組裝時間縮短了一半，但還需要將組裝時間再縮短1/4，才能按期完成。”每個繞組都要制作，測試集成為環(huán)形磁場線圈，運送到到最終裝配大廳，在那里，18個相同的線圈和周圍的結構將被安裝在托卡馬克上。由于沒有先例，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司的磁體建設流程代表了整個項目最關鍵的路徑，還因供應鏈的挑戰(zhàn)而變得更復雜。聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司一直努力在美國、歐洲和亞洲尋找更多的供應商，同時擴展內部的制造能力，這將為將來建造核聚變發(fā)電廠奠定基礎。美國能源部能源高級研究計劃局(ARPA-E)核聚變項目主任艾哈邁德•迪亞洛(Ahmed Diallo)說：“中國每年生產(chǎn)高溫超導膠帶接近3000千米，我們希望每年能夠生產(chǎn)超過1萬千米的膠帶，保持核聚變的快速發(fā)展。現(xiàn)在我們正在尋找制造過程的新方法，在提高產(chǎn)量的同時降低成本。”這將使一座高溫超導磁化托卡馬克的價格增加1億美元甚至更多。美國能源部聚變能源科學辦公室的項目經(jīng)理吉尼維爾•肖(Guinevere Shaw)表示：“我們正在從每年制造幾厘米增加到數(shù)百千米。美國要在托卡馬克的建設方面處于領先地位，就需要在高溫超導生產(chǎn)方面實現(xiàn)飛躍，這是一項非常復雜、研究部門很難實現(xiàn)的企業(yè)行為。”聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司表示，在Sparc所需的1萬千米膠帶中，約有1/3已到達現(xiàn)場，其余的都已確認訂單。根據(jù)該公司的時間表，組裝完成后，設備將在2025年底首次產(chǎn)生等離子體，最遲在2026年初實現(xiàn)聚變能量增益因子(Q)大于1，即實現(xiàn)凈增益，這意味著聚變反應產(chǎn)生的能量比維持它所需的能量要多。這是一個激進的時間表，到目前為止，幾乎沒有一個核聚變項目能兌現(xiàn)如此樂觀的承諾。至今為止，《等離子體物理學雜志》陸續(xù)發(fā)表了7篇同行評議論文，對Sparc的等離子體物理理論進行驗證。聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司的仿真預測，Sparc設計聚變能量將達到50至100兆瓦，實現(xiàn)Q大于10，這與ITER增益因子的預測相當。

盡管困難重重，但在核聚變實驗中成功實現(xiàn)能量增益大于10，可能比隨后使用核聚變將電力送入電網(wǎng)的挑戰(zhàn)要容易得多。對于后一項挑戰(zhàn)，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司已在著手建造號稱世界上第一座核聚變發(fā)電廠。公司將Sparc的繼任者稱為Arc，其設計目的是展示具有經(jīng)濟競爭力的大規(guī)模核聚變發(fā)電所需的技術。索爾博姆說：“Arc上的大部分工作都是與Sparc同時進行的，這樣我們就可以準備好子系統(tǒng)和合作伙伴。”他指出，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司目前正在與美國國家實驗室、大學以及國際研究機構開展數(shù)十項合作。但與核聚變反應本身不同的是，在核聚變發(fā)電方面，許多基本問題仍未得到解決。在核聚變反應中，物理理論已經(jīng)很完善，即使只有一部分得到了執(zhí)行。建造一個既能收集能量，又能將其轉化為電能，還不會被輻射破壞的復雜系統(tǒng)，這在工程和材料科學方面都面臨著一系列挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)之一是如何從裝置中提取熱量用于發(fā)電。在這一點上，聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司的首選方法是使用熔鹽毯，這也可以增殖產(chǎn)生氚。氚是一種稀有氫同位素，可作為加速磁約束反應堆的燃料。工作設計要將一個連續(xù)循環(huán)流動的鹽泵入等離子體室所在的罐中，熔鹽在罐里吸收輻射的中子，然后被泵出托卡馬克，在那里，熱能被交換到驅動渦輪機發(fā)電的液體。因為Arc產(chǎn)生的所有能量幾乎都會被熔鹽層吸收，所以磁體冷卻系統(tǒng)的負荷很小。熔鹽很可能是氟化鋰和氟化鈹?shù)幕旌衔铮捶団斎蹘r。這一組合使熔鹽具有雙重功能，可作為增殖介質，有些聚變中子與鋰原子相互作用，并轉化為氚。然后，將氚過濾出來，回收作為聚變燃料。氟鋰鈹是與麻省理工學院等離子體科學與聚變中心正在進行的合作研究的重點，該項目由美國能源部能源高級研究計劃局資助，是美國能源部的幾個項目之一，通過提供資金、配接私營企業(yè)與美國能源部國家實驗室合作，推動聚變研究向前發(fā)展。但氟鋰鈹是否會比其他方法(如果有的話)更好，還只能是猜測。美國能源部資助的研究合作說明了各國和地區(qū)在方法上的差異。在大多數(shù)國家和地區(qū)，核聚變是在政府指定的發(fā)展道路上進行的。“在美國，我們加快核聚變能源研發(fā)的新戰(zhàn)略是與私營部門合作，配套公共資金，撬動并鼓勵私人資本流向一系列多元化的核聚變技術和商業(yè)化方法。”美國能源部的斯科特•許(Scott Hsu)這樣說。2023年5月，美國能源部宣布將提供4600萬美元的里程碑資金，通過公私合作推進核聚變的商業(yè)發(fā)展。這些投資，連同源源不斷的技術突破，增強了人們對可能加速實現(xiàn)核聚變發(fā)電的信心。2023年5月，微軟與聚變初創(chuàng)公司Helion Energy簽署了世界上首個聚變能源購買協(xié)議。Helion Energy公司目前正在建設的反應堆計劃在2028年開始生產(chǎn)50兆瓦電力。最近，核聚變工業(yè)協(xié)會對私營核聚變公司的專業(yè)人士進行了一項調查，結果發(fā)現(xiàn)，93%的受訪者認為，到21世紀30年代，核聚變發(fā)電站將開始向電網(wǎng)供電，高于2022年的83%。

由于氣候變化的影響不斷惡化，對于索爾博姆和其他業(yè)內人士而言，這一天來得不夠快，他們希望更快地推動技術向前發(fā)展，盡早提供清潔的無碳能源。索爾博姆說：“盡管這一天來得還不夠快，但我們在過去十年取得的進步還是有一點超現(xiàn)實。十年前，我寫了一篇關于使用高溫超導磁體制造核聚變能源的學術論文，現(xiàn)在我們正在建造這樣的磁體。我看著它在自己身邊發(fā)生。也許到2050年，我們真的能夠將上萬個此類電廠推向世界，解決氣候危機。每次我開車到停車場的時候，我都會想到這個問題。”