融合能源的未来

阿联酋迪拜 12 十月 2022

核聚变曾被许多科学评论家视为幻想物理学：“核聚变永远要等 30 年才能实现。”[1]曾经是熟悉的一句话。然而，有强烈的迹象表明，聚变能远非幻想，而是可能很快就会变为现实。并且，这样还可帮助彻底改变全世界对化石燃料的依赖。

如今，彭博资讯 (Bloomberg Intelligence) 的“核聚变市场估值有望达到 40 万亿美元”[2]和福布斯 (Forbes) 的“核聚变进入新时代”[3]等媒体头条反映了人们越来越兴奋地认为这种电力来源最终可能成为日常使用的可行选择。那么，到底是什么真正完全改变了传统观点？更重要的是，就气候和能源危机而言，聚变能多快才能成为全球能源结构中被认可的一部分？

未发挥的潜力？

聚变的优势显著，不幸的是，技术壁垒也是如此。过去半个世纪以来取得的进展既缓慢又令人鼓舞。

2022 年 2 月，由英国牛津郡库勒姆聚变能源中心运营的欧洲联合环状反应堆 (JET) 设施的研究人员在成功产生 59 兆焦耳能量后宣布了核聚变的新记录——该能量足以点亮一个 60 瓦灯泡 11 天。就产生的能量数量而言，这几乎没有改变游戏规则，然而这却被誉为核聚变（一种有望实现无限清洁能源的工艺）正在慢慢走向现实的标志。上一个记录也是由 JET 在 25 年前创造的，也就是 1997 年产生了 22 兆焦耳能量。

位于英国牛津郡的欧洲联合环状反应堆 (JET) 英国原子能管理局的库勒姆聚变能源中心托卡马克装置内部的聚变能时刻的静止图像，该中心是 JET 项目的所在地。（图片来源：© UKAEA）

与此同时，正在法国东南部建造的国际热核聚变实验堆 (ITER) 已经建造了 11 年，比最初 60 亿美元预算高出数百亿美元。它目前耗资 220 亿美元的建造成本正由代表世界三分之二人口的政府所分担，包括欧盟、美国、中国和俄罗斯[4]。

法国 ITER 现场。自 1985 年首次提出国际联合聚变实验的概念以来，成千上万的工程师和科学家为 ITER 设计做出了贡献。现在，ITER 成员（中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国）正在展开一项为期 35 年的合作，建造和运行 ITER 实验设备，并共同将核聚变发展到可以设计示范性核聚变反应堆的程度。图片来源：© ITER/EUROFusion

当然，还有其他几种替代化石燃料的能源，包括集中太阳能、太阳能光伏发电、陆上/海上风电场、生物质和地热能等，它们已经为实现净零排放所需的能源转型做出了重大贡献。但核聚变的潜在好处仍吸引着 Jeff Bezos[5]、Bill Gates[6] 以及 Jameel 家族投资机构 JIMCO 的投资，这也是安利捷长期致力于可持续能源形式的一部分，例如风能和太阳能。

聚变能的好处

碳排放，包括二氧化碳和甲烷等温室气体 (GHG) ，是行星气候变化的已知关键推动因素。大气中的温室气体越多，气候就会变得越温暖。尽管我们尽了最大努力，但情况仍在恶化。2021 年，全球平均二氧化碳排放量创下新高，达到百万分之 414.72[7]。

核聚变的美妙之处在于不会有碳排放。而且，不同于核裂变产生的更熟悉的能量，核聚变反应堆不会产生高活性、长寿命的核废料。唯一的放射性活化是聚变反应堆本身的实际成分，这一放射性活化程度足够低，足以让材料在不到 100 年内时间内回收或再利用[8]。

不同于核裂变的燃料（所谓的“裂变材料”），例如铀或钚，核聚变使用的原材料丰富且无害（既不是裂变的、可裂变的，也不是浓缩的），这意味着没有武器化的风险，而且它们更容易获得。氘气可以从水中提取，氚将在发电站内部由锂产生，锂是一种在地壳和海水中丰富存在的元素。

这个过程也非常高效：一千克聚变燃料与 1,000 万千克化石燃料提供的能量相同。一个一千兆瓦的核聚变发电站在一年的运行期间消耗的燃料不到一吨。一克燃料可以产生 90,000 千瓦时的电量。安全性也是一个重要的考虑因素。传统核裂变发电的历史充斥着事故和险兆事件。有关部门担心关键部件落入歹徒手中并被用于制造核武器的风险，聚变能则不然。如上所述，使用的燃料量很小（任何时候都有一张邮票的重量，而且不是“可裂变的”或浓缩的），所以不存在堆芯熔毁或失控反应的可能性。

“我想告诉人们，核裂变很容易开始，也很难停止。但聚变能正好相反，“加拿大 General Fusion [9]公司（该行业的主要参与者之一）前首席执行官 Christofer Mowry 解释道。

核聚变发电厂的倡导者表示，这些发电厂有可能以较低的成本和最低的风险[10]产生几乎无限的能源供应——这些好处确实值得追求。

聚变与裂变

传统的核电站依赖于裂变，即将重元素原子（通常是铀）分解成较轻的原子。释放的能量用于使水沸腾以产生蒸汽，蒸汽然后带动涡轮机发电。

聚变的过程正好相反。它通过组合（或融合）更轻的原子以产生更重的原子来产生热量。聚变产生如此众多能量的原因是新元素的重量比其各部分的总和要小得多。根据阿尔伯特·爱因斯坦著名的公式 E = mc²，这种微小的物质损失被转化为能量。这个过程跟产生太阳及其其他恒星力量的过程相同。在爱因斯坦的公式中，“E”代表能量，“m”代表质量。公式的最后一部分是“c”，一个测量光速的常量——每秒 30 万公里。然后将其平方——转化为能量的物质的巨大乘数，使聚变成为一种非常强大的反应[11]。

然而，这个过程并不简单。要使聚变起作用，原子必须碰撞。问题（或其中之一）是它们的核（带正电荷的原子核，在带负电荷的电子云内部）通常相互排斥。为克服这种排斥力，原子需要在有限的空间内移动得非常快。太阳和其他恒星可以做到这一点，因为它们的天文质量产生了巨大的引力，使原子向中心冲去。

在地球上，我们需要一种不同的方法。这就是几十年来我们最优秀的物理学家和工程师所关注的问题。聚变过程已在实验室中小规模地得到证明，但就是这个过程的复杂性，它尚未产生比消耗掉的能量更多的能量。

这种反应需要创造一种高能物质状态：等离子体。这是一种类似于气体的电离物质状态。等离子体由带电粒子（正核和负电子）组成，是非常脆弱的环境，密度比我们呼吸的空气小近一百万倍[12]。等离子体需要非常高的温度（5,000 万摄氏度），必须在高压下保持稳定，密度足够大，限制时间足够长，以便原子核聚变。

不同的聚变方法

托卡马克必备组件包括环向场线圈（蓝色）、中央螺线管（绿色）和极向场线圈（灰色）。环形线圈周围的总磁场（黑色）限制带电等离子体粒子的运动路径。
插图 © EUROfusion/美国能源部提供。

为了让聚变有用，必须以受控的方式产生等离子体，以便收获所产生的能量。目前有两种基本方法，但有一些不同。加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火实验设施 (National Ignition Facility) 采用的一种方法是限制聚变燃料并使用激光进行压缩。这被称为惯性局限聚变 (ICF)。

另一种方法通常被称为磁局限聚变 (MCF)，采用非常强大的磁体来产生磁场（“磁瓶”）来绝缘和容纳等离子体。其核心是一种称为托卡马克的甜甜圈形状的 MCF 反应堆。它使用高强度磁场将氢等离子体加热到数亿摄氏度，然后在原子结合时保持等离子体稳定。目标是将等离子体保持在一起足够长的时间，以便发生大量的聚变。目前的纪录只有六分钟。

这些方法的变体是磁化靶聚变 (MTF)，它结合了 MCF 和 ICF 的特点，但需要的工程量和资源更少。与磁性法一样，当聚变燃料被加热成等离子体时，它被强磁场限制在较低密度。聚变反应通过快速挤压磁化靶来启动，以大大增加燃料密度和温度，跟惯性法一样。由此产生的密度低于采用“纯”ICF 方法时的密度，一些科学家认为这种混合方法能提供更长的约束时间和更好的热保留，最终让 MTF 成为可能，并且更容易建造。

人们相信，一个成熟的商业聚变反应堆将足以与其他电力形式相竞争。目标是实现每兆瓦时 50 美元的成本，这与煤炭相同。虽然其他形式的可再生能源可能更便宜，但它们并不没有那么可靠或灵活。

投资明天的能源

作为可持续能源和净零排放运动的坚定投资者，安利捷通过 Jameel Investment Management Company (JIMCO ) 选择投资于快速发展的聚变能领域的两家全球先锋企业：Commonwealth Fusion Systems (CFS)，麻省理工学院（MIT）等离子体科学与聚变中心的衍生公司，总部位于波士顿，获得杰夫·贝佐斯和比尔·盖茨的支持[13]，以及总部位于加拿大的 General Fusion，该公司也得到了贝佐斯的支持。

Bob Mumgaard（右，CFS首席执行官兼联合创始人）与 Fady Jameel（左，安利捷副总裁兼副主席）在 CFS 办事处。

2021 年 12 月，JIMCO Technology Fund 参与了 CFS 旨在推动聚变能商业化的 18 亿美元 B 轮融资。同月，它还宣布参与 General Fusion 的 1.3 亿美元 E 轮融资。

General Fusion 的技术采用上述 MTF 方法在 MCF 和 ICF 之间开辟了一条中间沟。在这个过程中，反应堆通过使用强大的电脉冲来产生自稳定的等离子体团，然后注入反应堆堆芯，从而使得不需要磁约束。它被比作烟圈，烟圈内的气流在消失前几秒钟保持其形状[14]。等离子体团仅持续约 20 毫秒，但这足以使它们被压缩。

General Fusion 反应堆的堆芯将内衬熔融锂和铅。一旦等离子体团被注入，数列由气体驱动的活塞将压缩堆芯，将其从圆柱体变为球体，并大大提高聚变反应速率。

反应堆的液态金属夹套不仅压缩等离子体，而且还从这一反应中捕获能量。加热的金属将通过管道连接到热交换器并用于提升蒸汽。与此同时，聚变反应产生的中子把一些锂转化为更多的氚燃料，否则这种燃料将非常稀少和昂贵。通过改变堆芯循环的速度，反应堆还可以将功率输出增加或减少十倍。这应该使其能够“负荷跟随”，在电力需求高的时候提高产量，而在电力需求低的时候减少产量。

加拿大 General Fusion 的团队使用一些 MTF 反应堆组件。图片来源 © General Fusion

激光压缩，例如国家点火实验设施采用的压缩，需要数十亿分之一秒的时间。但 General Fusion 反应堆的压缩需要千分之一秒的时间，使其处于更便宜的数字电子产品之列。结果应该是反应堆比 MCF 或 ICF 机器更便宜、更容易建造和运营。

General Fusion 正在伦敦附近的库勒姆建造一个示范工厂，该工厂几十年来一直是英国聚变研究的中心，计划于 2025 年开始运营。该公司的目标是在 21 世纪 30 年代初将第一批反应堆推向市场。

接受托卡马克

总部位于波士顿的 Commonwealth Fusion Systems 正采用一种基于托卡马克技术的不同方法。CFS 首席执行官兼联合创始人 Bob Mumgaard 表示，该公司的目标是在六年内建立一个工作的反应堆。

在最近针对 Abdul Latif Jameel Perspectives 文章的采访中，Mumgaard 解释了公司如何使用由稀土氧化钡铜制成的突破性高温超导体 (HTS) 来制造比以往更小的强大磁体。

这意味着反应堆采用的托卡马克也可以小得多。

“目前的托卡马克技术要求它们非常大，以产生磁场来获得聚变所需的净能量，”他说，指出法国 ITER 工厂的场地长 1 公里、宽 400 米。“通过开发合适配置的高温超导磁体，现在我们可以制造出小得多的托卡马克，举个例子来说，大概比 ITER 小 40 倍，这对聚变系统来说是一个颠覆。”

CFS 首席执行官 Bob Mumgaard 带 Abdul Latif Jameel 副总裁兼副主席 Fady Jameel 和 MIT PSFC 的 Denis G Whyte 进入 Commonwealth Fusion Systems 厂房—容器左下方可以看到单个高温超导磁体。

为了解高温超导磁体的强度，使用了一个被称为特斯拉的单位来测量磁体的力量（即磁场强度）。[15]CFS 在其反应堆中使用的磁铁是 20 特斯拉，大到足以举起战列舰。Mumgaard 称托卡马克是一个“大磁瓶”，强大的磁场控制着 1 亿度等离子体的球——“恒星物质”。

在 2021 年 9 月成功进行概念验证后，麻省理工学院和 CFS 共同构建了 Mumgaard 所说的“第一台产生净能量的聚变机”，即第一座产生的能量要比消耗掉的能量要多的聚变发电站；据 Mumgaard 称，发电量会增加 10 倍，输出功率为 100 MW[16]。发电站名为 SPARC，正在马萨诸塞州德文斯建造，计划在 2025 年底前投入运营。

私人资本的力量

这就是推进聚变技术所需的巨额投资，以及安利捷副总裁兼副主席 Fady Jameel 认为私人投资者对确保聚变能长期成功至关重要的漫长回报期

“私人资本和家族企业都有耐心这一优势。他们有能力进行长期投资，因为他们没有一大群股东要求他们在三到五年内获得回报，”他说，“因此，我认为这对他们是难得的机会，也可以说是一种责任，投资这类突破性的未来技术，作为其业务持续性的一部分，也是对子孙后代负责。”

安利捷自身在投资可持续能源技术上一直眼光独到。它还拥有自己的可再生能源部门业务，例如开发和管理水基础设施及服务的领先公司 Almar Water Solutions，以及 Abdul Latif Jameel Energy 旗下的 Fotowatio Renewable Ventures (FRV)。FRV 拥有一系列开发可持续能源的项目，从澳大利亚的九个太阳能发电场到英国最大的有助于英国能源网脱碳的电池存储开发项目 Clay Tye。