由 Simon 麻省理工团队用新型超导材料造出“迷你太阳”？磁场强度飙升16万倍，能量产出超输入13倍，聚变能源商业化竟近在眼前！
当美国能源部宣布将停止资助麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的托卡马克装置时，丹尼斯·怀特曾考虑放弃聚变研究。但随后他灵光一现——并挑战他的学生们将这个想法变为现实。
自20世纪30年代核聚变被发现以来，科学家们一直在思考，我们能否以某种方式复制并驾驭星光背后的现象——氢原子碰撞形成氦并释放巨量清洁能源。聚变氢产生的能量是单纯燃烧氢的2亿倍。与为全球440座原子反应堆提供动力的核裂变不同，氢聚变不产生有害辐射，只会产生被捕获并重新加入反应的中子。聚变的副产品是氦——最稳定的元素，而非具有长致命半衰期的放射性废物。一座聚变电站一年的氦产量甚至不足以支撑一个派对气球生意。
丹尼斯·怀特的聚变探索始于研究生时期，在蒙特利尔郊外一家属于魁北克水电公司的实验室里。在那里，他看到了一个旨在在地球尺度上复制恒星聚变的装置。这是一个环形空心腔室，大到足以让他这样瘦高的物理学家站在里面，其设计基于1950年由未来的诺贝尔和平奖得主安德烈·萨哈罗夫构思，这位科学家也曾为苏联研制氢弹。它被称为托卡马克，这个词源自俄语短语，意为“带磁线圈的环形腔室”。
原理很直接：向环形腔内注入氢气，然后加热气体直至其变成带电等离子体。在这种离子态下，等离子体将由托卡马克周围的磁体约束住。科学家们计算出，在没有恒星内部巨大压力的情况下在地球上实现聚变，需要比太阳中心温度高近10倍——约1亿摄氏度。因此，诀窍在于将高温等离子体完美地悬浮在周围的磁场中，使其不接触腔室内壁。任何接触都会立即冷却等离子体，停止聚变反应。
这样做的好处是安全。发生故障时，聚变电站不会熔毁——恰恰相反。坏处是气态等离子体不太“合作”——腔壁的任何轻微不规则都可能导致破坏稳定的湍流。但这个概念如此诱人，以至于到20世纪80年代中期，全球已有75所大学和政府机构拥有托卡马克装置。如果有人能让聚变——宇宙中能量密度最高的反应——成功运行，那么一升海水中的氘就能满足一个人一年的用电需求。这实际上将是一种无限的资源。
除了湍流，还有另外两大障碍。约束等离子体的磁体需要非常强大——这意味着体积巨大。1986年，代表世界一半人口的35个国家——包括美国、中国、印度、日本、现在的整个欧盟、韩国和俄罗斯——同意联合建造国际热核聚变实验堆，这是一个位于法国南部、耗资400亿美元的巨型托卡马克。ITER（这个缩写也构成了拉丁语中的“旅程”一词）矗立在180英亩的场地上，高100英尺，配备了18块磁体，每块重360吨，由当时最好的超导体制成。如果成功，ITER将产生500兆瓦的电力——但最早也要到2035年。它仍在建设中。第二个障碍是最大的：许多托卡马克曾短暂实现聚变，但这样做消耗的能量总是大于产生的能量。
1992年获得博士学位后，怀特在圣地亚哥的国家聚变设施从事ITER原型机工作，后在威斯康星大学任教，并于2006年被麻省理工学院聘用。那时，他明白了其中的利害关系有多大，以及商业规模的聚变能源可能带来的变革——如果它能持续，并且能以可承受的成本生产。
麻省理工学院自1969年以来一直在尝试。怀特工作的等离子体科学与聚变中心的红砖建筑，最初是国家饼干公司的所在地。PSFC的第六个托卡马克Alcator C-Mod建于1991年，位于纳贝斯克公司旧的奥利奥饼干工厂内。C-Mod的磁体用铜线缠绕作为导体（想象一下缠绕在钉子上并连接到电池的铜线如何将其变成电磁铁）。在C-Mod最终退役之前，其比地球磁场强16万倍的磁场，创造了托卡马克中等离子体压力的世界纪录。
然而，正如欧姆定律所描述的，铜等金属具有内阻，因此它只能运行四秒就会过热——并且点燃其聚变反应所需的能量大于其输出能量。就像如今全球约160个类似的托卡马克一样，C-Mod是一个有趣的科学实验，但主要强化了一个笑话：聚变能源总是“还有20年”。
每年，怀特都会挑战他聚变设计课程的博士生们，构想出像C-Mod一样紧凑、规模仅为ITER八百分之一的装置，能够实现并维持聚变——并且有能量增益。但到了2013年，随着他接近50岁，他越来越怀疑。他将职业生涯奉献给了聚变梦想，但除非发生根本性改变，他担心这在他有生之年不会实现。
美国能源部决定缩减聚变研究规模。它通知麻省理工学院，对Alcator C-Mod的资助将于2016年结束。因此，怀特决定，要么放弃聚变去做别的事情，要么尝试不同的方法以更快实现目标。
当时出现了一代新型陶瓷“高温”超导体，这在ITER的巨大磁体被包裹在金属超导电缆时还不可用（金属超导电缆必须冷却到绝对零度以上4开尔文，即–452.47°F，其电阻才能降至零）。这种新型陶瓷超导体于1986年在瑞士实验室偶然发现，仍需冷却到20 K（–423.7°F）。但由于功率要求小得多，其输出却大得多，以至于一年后发现者获得了诺贝尔奖。
潜在应用是无限的，但因为陶瓷非常脆，将其缠绕在电磁铁上并不可行。然后有一天，怀特在走廊里遇到了研究科学家莱斯利·布隆伯格，他手里拿着一把看起来像从录像带盒里抽出来的带子。“那是什么？”他问。
“超导带，新东西。”这些薄膜条上涂有稀土钡铜氧化物的陶瓷晶体。“它叫ReBCO，”布隆伯格说。
ReBCO的稀土成分钇，储量是银的400倍。怀特立刻想到，超导带能否像铜线一样缠绕，以制造更小但强大得多的磁体？
2013年的聚变设计课在一个没有窗户的房间里进行，房间位于前纳贝斯克饼干工厂，四周是黑板。他让他的2013年聚变设计班去研究。他知道，如果学生们能将约束高温等离子体的磁场强度提高一倍，他们可能会将聚变的功率密度提高16倍。他们提出了一个令人大开眼界的设计，称之为“Vulcan”。它产生了五篇经过同行评审的论文——但缠绕的ReBCO带层能否承受住所需电流的应力，以在等离子体被过热点燃聚变反应时将其悬浮，这仍是未知数。
两年来，他的班级不断完善Vulcan。到2015年，随着ReBCO的质量和供应更加稳定，他向他的学生们——11名男性和1名女性，包括一名阿根廷人、一名俄罗斯人和一名韩国人——发起挑战，要超越35个国家近30年来一直在尝试的目标。
“让我们看看ReBCO是否能让我们建造一个500兆瓦的托卡马克——和ITER一样，只是小得多。”
他告诉他们，如果超导带能让他们制造出一个适合退役燃煤电厂占地面积的聚变反应堆，它就可以直接接入现有的输电线。然后，要产生足够的无碳能源以防止地球气候越过临界点，其组件必须能够大规模生产，以便任何合格的承包商都能组装和维护它们。
班级在一个没有窗户的房间里开会，房间位于前纳贝斯克饼干工厂，四周是黑板。学生们分成小组，开始研究如何使薄带电磁铁更坚固，以及如何捕获聚变反应中释放的中子，以便利用其热量驱动涡轮机——并利用它们为等离子体增殖更多的氚。这至关重要，因为天然氚极其稀有。由于包裹ReBCO的磁体将小得多，缩小一个组件的尺寸会波及所有其他部分。一个团队的创新启发了另一个团队，设计的部分开始连接起来。随着兴奋情绪在PSFC蔓延，早期班级的成员，现在是博士后或教职员工，也加入进来。怀特的学生们，有些人即将提交博士论文，每周投入50小时在这项工作上，这让他想起了自己最初梦想聚变的原因。
怀特第一千次审视了它。他相当确定他们没有违反任何物理定律。
然后，在学期结束时，他们的设计诞生了。直径仅略超过10英尺，它实际上看起来像一个原型电厂。虽然ITER有巨大的屏蔽层，但他们的托卡马克将被包裹在一个紧凑的包层中，包层内含有氟化锂和氟化铍的熔盐混合物，用于吸收聚变反应中逃逸中子的热量。这些中子也会与锂反应，增殖更多的氚。
包层的热量将被用于发电——除了五分之一的能量将保留在等离子体中，这意味着反应现在正在自我加热并自我维持，产生的能量超过了点燃它所需的能量。净聚变能量已经实现。
ReBCO磁体虽然只有ITER磁体大小的四十分之一，却能产生23特斯拉的磁场强度（医院核磁共振机通常运行在1.5特斯拉）。这足以实现聚变反应，而其所需的电力却比其前身铜导体的C-Mod少2000倍。所有设计都便于维护，部件更换无需拆卸整个反应堆。
最重要的是，计算出的能量输出是输入的13倍多。
怀特第一千次审视了它。他相当确定他们没有违反任何物理定律。他计算了每瓦成本，感到震惊。突然，他们的目标不仅仅是建造一个更小的ITER。而是要在商业上具有竞争力。
震惊之余，他告诉妻子：“这真的能行。”
他们称之为ARC，意为“负担得起、坚固、紧凑”。“十年内可建成，”怀特预测道。他的12名学生在《聚变工程与设计》上发表的同行评审文章估计，其成本约为50亿美元。在2015年，这比同等规模的燃煤电厂成本高不了多少，仅为ITER价格的八分之一。
那年五月，怀特在德克萨斯州奥斯汀举行的聚变工程研讨会上发表了关于ARC的主题演讲。他的四名学生参加了。当他描述他们计划在2025年——仅仅10年内——建成一个可行的反应堆时，与会者都惊呆了——其他人谈论的都是几十年。之后，麻省理工学院的代表团去Stubb’s Bar-B-Q吃午饭。很明显，随着气候恶化，政府间气候变化专门委员会警告需要尚未发明的技术来防止温度飙升到可怕的领域，他们必须这样做。但既然美国能源部已经撤资，他们怎么能做到呢？
在一张餐巾纸上，怀特开始列出他们需要做的事情以及每一步可能的成本。吃着肋排，他们起草了一份提案，计划分拆一家初创公司，筹集风险投资，为SPARC（意为“尽快实现的ARC”）示范聚变反应堆提供资金，以证明这真的可以实现。然后他们将建造商业规模的ARC。
成立一家公司将使他们摆脱学术和政府资助周期的束缚，但他们是等离子体物理学家，大多仍在20多岁，没有商业背景。尽管如此，怀特和PSFC副主任马丁·格林沃尔德同意加入他们，2018年，Commonwealth Fusion Systems诞生了。他的三名前学生将运营公司，另外三名将留在麻省理工学院等离子体科学与聚变中心，根据利润分享协议，该中心将成为CFS的研究部门。
他们在街上的The Engine——麻省理工学院的“硬科技”初创企业孵化器——开业，并引起了比尔·盖茨、乔治·索罗斯和杰夫·贝索斯等关注气候问题的支持者的注意。但他们并不是唯一争夺聚变资金的团队，这变成了一场看谁能率先实现商业规模聚变的竞赛。
CFS团队可能很年轻，但由于与麻省理工学院合作，并拥有超过一百名经验丰富的聚变科学家，他们有了一个良好的开端。
到2021年底，Commonwealth Fusion Systems已筹集了超过20亿美元，并在波士顿郊外47英亩的土地上破土动工，建设商业聚变能源园区，计划在2025年前建成SPARC——并在2030年前建成商业规模、可大规模生产的ARC。
获得并实际维持净能量一直被称作聚变尚未达到的“圣杯”，但到2021年9月，由首席执行官鲍勃·芒加德、首席科学官布兰登·索博姆、怀特以及他们200名CFS同事组成的团队有信心能够做到——前提是他们的磁体能撑住。三年来，贯穿整个疫情，他们在PSFC的西单元实验室——那个曾经容纳Alcator C-Mod的宽敞的前奥利奥工厂——工作，疯狂地解决诸如如何将薄膜ReBCO带焊接在一起，形成足够坚固的结构以承受4万安培电流通过等问题——这足以点亮一个小镇。
完整的SPARC将有18块磁体环绕其等离子体腔，但为了这次测试，他们只建造了一块。它由16层组成，每层都是一个D形、10英尺高的钢盘，像黑胶唱片一样开有凹槽。在一侧，凹槽中紧密缠绕着ReBCO薄膜，总长270公里——相当于从波士顿到奥尔巴尼的距离。“然而所有这些ReBCO只含有少量稀土，”索博姆说。“这就是超导体的魔力：一点点材料就能承载如此大的电流。相比之下，风力涡轮机的稀土钕磁体重达数吨。”
在每个钢盘的另一面，凹槽引导液氦冷却超导体以实现零电阻。（该设计可追溯到历史上第一个高场磁体，于20世纪30年代在麻省理工学院建造，使用铜导体和水作为冷却剂。）每一层都是在自动化装配线上建造的。“想法是，”芒加德说，“有朝一日每年制造10万个磁体。这不能只是一个科学奇观。这需要成为一种能源。”
尽管新冠疫情已经减弱，但一次爆发仍可能毁掉一切，因此他们维持着新冠防疫措施，将计算机终端移到帐篷下以避免室内拥挤。其他人远程工作。一个月来，数十人轮班工作八小时。一些人操作电磁线圈，它被不锈钢包裹着放在房间中央，必须在一周内从室温298 K逐渐超冷到20 K，然后缓慢提升到满磁强度。其他人不断将实时数据与冗余模型进行比较。随着温度下降，内部连接、焊缝和阀门以不同的速率收缩，因此他们密切关注是否有泄漏。
2021年9月2日，劳动节前的星期四，他们开始以几千安培的幅度提升电流，频繁停下来检查电流揭示的信息、冷却特性如何变化，以及随着磁场强度达到创纪录高度，ReBCO线圈上的应力如何增加。
两天后的晚上，他们将电流调向目标：一个20特斯拉的磁场，强大到足以抬起421架波音747或约束持续的聚变反应。他们原本的目标是5日星期日上午7点。凌晨3:30，设计中心的大屏幕显示他们已经达到40千安，磁场达到19.56特斯拉。
凌晨4:30，他们达到了19.98特斯拉。现场变得非常安静。凌晨5:20，每个冗余的屏幕仪表都显示20特斯拉，没有任何泄漏或爆炸——除了帐篷下，香槟瓶塞正在砰砰作响。
五年前，在最后一次四秒运行中，C-Mod的铜导磁体消耗了2亿瓦的能量才达到5.7特斯拉。而这次只用了30瓦——能量减少了约1000万倍，怀特告诉记者——就产生了足以维持聚变反应的磁场强度。将电流从一层传递到下一层的接头实际上表现得比预期更好。这是最大的未知数，因为测试它们的唯一方法就是在磁体内部。它们看起来棒极了。
五小时后，团队降低了功率。“这是一个基蒂霍克时刻，”芒加德说。
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延伸思考
1. 技术突破与商业化路径：ReBCO超导带等材料科学的突破，使得紧凑型聚变装置成为可能。从实验室突破到商业电站，除了技术验证，还面临哪些关键挑战（例如材料规模化生产、氚燃料循环、反应堆寿命与维护）？CFS的“初创公司+大学研究”模式，是否为其他重大科技突破的转化提供了新范式？
2. 能源转型的竞赛与协作：ITER代表传统的大型国际合作科研工程路径，而CFS等初创公司则代表敏捷、市场驱动的路径。在应对气候变化的紧迫背景下，这两种路径是竞争关系还是互补关系？全球范围内涌现的私营聚变公司，会加速还是分散实现最终目标的资源与努力？
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