核聚變能源：為什麼有希望又具有挑戰性，解釋 - 彭博社

勞倫斯利物浦國家實驗室的國家點火設施目標灣。攝影師：達米恩·傑米森/勞倫斯利物浦國家實驗室/AP核聚變長期以來一直被視為清潔和豐富能源的終極目標。聚變是太陽燃料的過程，其中壓倒性的引力將原子壓在一起並釋放它們的能量。2022年底，研究人員慶祝了一個長期追求的 科學里程碑，並於7月複製了這一成就。該領域仍然充滿了棘手的技術挑戰和對近期前景的懷疑。然而，美國和其他國家正在推動 大膽的願景，一些世界上最富有的投資者已經湧入了針對科學中最大、最艱鉅挑戰之一的初創公司。

觀看：比爾·蓋茨表示他是核聚變的重要投資者。

1. 里程碑是什麼？

2022年12月，加利福尼亞州的 勞倫斯利物浦國家實驗室的科學家們將世界上最強大的激光聚焦在一個裝滿氫氣的胡椒粒大小的鑽石膠囊上。激光束釋放了2.05兆焦的能量，觸發了將氫聚變成氦並釋放3.15兆焦的反應。差異略大於一兆焦，大致相當於手榴彈釋放的能量。這一結果，被稱為“點火”或淨能量增益（意味着輸出的能量比輸入的多），是科學家們幾十年來一直追求的成就。它表明控制聚變的核心物理學已經被攻克，創造了生產廉價、無碳電力的可能性。在 數次不成功的嘗試後，同一實驗室於2023年7月能夠重複這一成就。

2. 商業聚變離我們有多近？

最樂觀的專家表示，距離第一座聚變發電廠向電網供電還有大約十年的時間。大多數人認為現在距離這一目標還有20到30年的時間。隨着近年來科學的進步，聚變開始吸引新一類投資者，越來越多的私營公司加入了這場競賽。投資激增，從2020年的約3億美元增加到2021年的26億美元。到2022年回落至12億美元，並在2023年上半年降至5.44億美元，據彭博新能源財經數據。

3. 有哪些技術？

聚變研究受益於超級計算、3D打印和超導磁鐵的進步。有不同的方法：

• 慣性約束：2022年的里程碑證明了這種方法——用激光瞄準充滿氫氣的小球——是可行的。但反應異常短暫，不是發電廠通常使用的連續過程。而且至少目前來看，這些小球的製造成本昂貴且耗時。
• 磁約束：更廣泛使用的方法利用強大的磁場來包含等離子體，即帶電的超加熱氣體，以便它能維持聚變反應。這需要比太陽温度高得多的温度，大約為1.5億攝氏度（2.7億華氏度）。大多數工作使用蘇聯時代的設計，被稱為託卡馬克，它採用一個超冷卻的圓環形腔室來容納等離子體，或者一個稱為恆星器的變種。
• 其他替代方案：初創公司正在追求混合技術或他們自己獨特的想法。加利福尼亞州的TAE Technologies是資金最充裕的公司之一，他們使用加速器來使等離子體充滿高能粒子，使其更容易管理。

4. 有哪些障礙？

聚變不會產生像裂變那樣的高水平核廢料，裂變是自1950年代商業反應堆使用的原子分裂替代形式，也是最初的原子彈的動力來源。然而，聚變研究需要克服技術挑戰，比如如何開發能夠承受機器內原子粒子轟擊的材料。目前還不清楚產生的能量將如何被利用並轉化為電力。

5. 參與者是誰？

有三個明顯的羣體：國家倡議、國際合作以及近三十多傢俬人初創公司。美國和英國在11月宣佈了一項合作加速聚變發展的夥伴關係，隨後美國氣候特使約翰·克里表示他的國家將與一系列政府合作朝此目標努力。同樣在12月，歐盟和日本在東京北部啓動了世界上最大的實驗性核聚變發電廠的測試。這個由35個國家組成的250億美元的國際熱核實驗反應堆（ITER）是有史以來最大的研究項目。這個項目規模相當於太空競賽時期的一個項目，當時美國和前蘇聯競相建造巨大的火箭。自2010年以來，該項目一直在法國努力建造一個巨大的示範機器。初創公司最著名的支持者包括亞馬遜創始人傑夫·貝索斯、微軟創始人比爾·蓋茨和Palantir的彼得·蒂爾。有一種觀點認為，即使核心技術需要幾十年才能實現，對聚變的推動也將產生科學進步。

6. 什麼會標誌着進展？

磁約束項目尚未表現出淨能量增益，ITER的託卡馬克計劃最早要到2025年才開始運行。 Commonwealth Fusion Systems計劃在2025年在馬薩諸塞州啓動自己的設備。

參考書架

• 勞倫斯利物浦國家實驗室的網站。
• BloombergNEF報告關於核聚變面臨的挑戰。
• Bloomberg的圖表特寫探討了聚變的兩種方法。
• 一個微小的小部件是如何拖延了世界上最大的科學實驗。
• 一個關於核裂變復興的QuickTake。
• Bloomberg觀點專欄作家David Fickling寫道，聚變研究人員離商業技術還很遙遠。
• 一位聚變科學家解釋了為什麼雄心勃勃的時間表將很難實現。