国家实验室解锁核聚变——真正的突破、新奇法案，还是两者兼而有之？

N长期以来，核聚变一直是真正清洁能源的圣杯。 氢原子的碰撞有望产生无限的电力、零碳排放、最少的放射性废物和零灾难性熔毁的可能性。 但半个世纪以来，聚变科学家一直受到激光功率和磁场强度的限制——在此之前，他们从未弄清楚如何从原子粉碎中提取比输入更多的能量。直到现在。

今天科学家们在 国家点火设施 在 劳伦斯利弗莫尔国家实验室 加州 (LLNL) 将在 1 月初透露，他们首次成功实现了大于 2,000 的能量增益——也就是说，更多的能量从他们的氘-氚燃料舱内的反应中释放出来（XNUMX 兆焦耳）比包含在 192个激光器 他们用它炸毁了它。

这是一件大事，值得庆祝，但多少已成定局，最近离开 LLNL 聚变团队成为初创公司科学总监的等离子体物理学家 Debra Callahan 说 专注能量，它已经在努力将该方法商业化。

Callahan 知道 LLNL 将在去年达到其激光能量输入的 72% 的能量输出后实现净能量增益。 “这对我来说并不意外。 鉴于 我们看到的结果路径，它将会发生，”她说。 他们只需要稍微多一点的激光功率。 那么它是怎样工作的？ 想象一个由金制成的空心小圆柱体，可以放在您的手掌中。 这就是所谓的 空腔. 空腔内部有一个微型燃料舱，里面装有氘和氚原子。

他们之所以使用黄金，是因为它保存着当他们用 173 台世界上最强大的激光照射空腔两端时产生的 X 射线。 卡拉汉说，“它就像一个 X 光炉”，它会极大地压缩燃料，以致内爆并点燃胶囊中心原子之间的聚变。 然后聚变以波的形式从中心向外传播，散发出惊人的热量。 所有这一切都发生在十亿分之一秒内。

为什么卡拉汉在他们正处于成功的风口浪尖时离开了LLNL？ 因为，她说，国家点火装置不是聚变机器。 空腔非常适合演示点火，但它不一定足够有效来设计连续脉冲聚变，因为在加热金而不是氢燃料时损失了太多的残余激光能量。 所以在 Focused Energy（由 Prime Movers实验室 和 新企业协会) 他们的计划是放弃空腔，而是使用“直接驱动”方法——将激光直接发射到燃料舱上（见示意图）。

他们还没有证明它是有效的，但 Callahan 相信在几年内他们的试点项目将实现 10 倍的能量增益。 接下来是第二个发电厂达到 30 倍增益，然后是 2030 年代末他们的第一台商用发电机，有望实现 100 倍能量增益并每秒爆破 10 个燃料舱。

但其中存在一个特殊的挑战。 以每秒 10 个胶囊计算，他们的机器每天将使用近 900,000 个胶囊。 这不像把煤铲进炉子； 每个胶囊都需要按照严格的标准制造，并以完美的时机射入机器。

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那现实吗？ 一些聚变竞争对手不这么认为。 General Fusion 是一家总部位于加拿大温哥华的聚变公司，昨天宣布了自己的里程碑。 它的方法被称为磁化目标聚变，涉及一台机器，他们将氢等离子体球注入机器，并使用强大的磁铁固定它，同时用机械活塞而不是激光进行压缩。 首席执行官 Greg Twinney 预计 General Fusion 正在英国建设的试验工厂将在 2027 年展示聚变，并在 2030 年代初准备好商业设计。 “当我们看到这样的消息时，我们并不感到惊讶，”他说。 但是 LLNL 的方法不能外推到一个工作的核聚变工厂，这就是 General Fusion（由 Jeff Bezos、Shopify 提供的 300 亿美元支持）在线商城
CEO Tobias Lutke 和 Temasek 等人）从一开始就着手去做。 “我们所做的一切都集中在商业发电厂上，”他说。 “如果它在科学实验中有效但不商业化，我们对此不感兴趣。”

LLNL 的消息引起了总部位于西雅图的聚变初创公司首席执行官大卫柯特利的类似回应 Helion公司，由科技大亨彼得泰尔、山姆奥特曼、达斯汀莫斯科维茨、里德霍夫曼和杰夫斯科尔提供 600 亿美元的支持。 “我们很高兴他们的机器达到了他们的科学里程碑，”柯特利说。 但他并不觉得受到“并非设计用于发电的研究设备”的威胁。 相比之下，Helion 的 60 英尺长核聚变机的操作涉及在两端注入等离子球，在强磁场控制的 100 亿度反应中将它们粉碎在一起。 在 Helion 的新系统中，聚变反应中释放的能量不断地向外推其磁场，而磁场又向后推——导致“像活塞一样”的振荡，Kirtley 说，这会产生电流，Helion 直接从反应堆中捕获电流。 （有关更多信息，请继续阅读 法拉第感应定律.)

Helion 正在建造它的第 7 个原型并设计第 8 个原型，Kirtley 希望这将成为第一个商业聚变发电机——如果一切顺利，可能在本十年末连接到电网。 他说，联邦核监管机构似乎准备让他们的机器遵守与粒子加速器和医院使用的那种成像机器相同的规则。

还有许多其他公司在追求最成熟的聚变方法—— 托卡马克 概念，其中等离子球被注入一个形状像空心甜甜圈的反应室，由强大的磁场控制。 英联邦融合麻省理工学院的一个分支机构，正在寻求使用超高温超导材料来完善托卡马克装置，首席执行官 Bob Mumgaard 认为这将使他们能够在本世纪末拥有一个工作的聚变装置。 总部位于圣地亚哥的通用原子公司（最著名的 发明捕食者无人机)，几十年来一直在为能源部操作托卡马克装置，并且正在设计一种新机器。 GA 还为世界上最大的聚变项目建造了可以说是世界上最强大的磁铁，称为中央螺线管 30 亿美元 ITER 在法国建设中。 如果其他聚变初创公司有他们的方式，ITER 甚至在下个十年的某个时候完成之前就会过时。 GA（由亿万富翁 Neal Blue 拥有）与 Savannah River 国家实验室建立合作伙伴关系，为 LLNR 和 Focused Energy 等基于激光的聚变机器制造燃料颗粒。

无论你在聚变领域与谁交谈，他们对历史悠久的核裂变反应堆的批评都是一样的。 裂变反应（其中浓缩铀的大原子被分解）产生放射性废物，包括钚和可以武器化的危险锕系元素。 与难以启动且易于停止的聚变不同，裂变反应易于启动且难以停止，从而引入了灾难性熔毁的风险。 较新的设计，例如 西屋 AP1000 美国和中国都在建设的裂变反应堆具有被动安全措施，几乎可以防止熔化。

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一些原子企业家认为裂变就足够了。 Bret Kugelmass，创始人兼首席执行官 最后的能量，五年前开始设计世界上最高效、最经济的核反应堆。 在确定他的方法之前，现年 36 岁的 Kugelmass 采访了数百名核工业专家（并将谈话放在他的 核播客泰坦) 汇集业界的集体智慧。 尽管库格玛斯对聚变的长远未来充满信心，但他认为世界上摆脱化石燃料的最佳选择在于以最简单、最便宜、最安全的方式建造模块化裂变反应堆。 Last Energy 在休斯敦附近的工厂正在制造其首个小型模块化压水反应堆，该反应堆利用通过现有核供应链采购的现成组件，其技术经过数十年的完善，并用于更多领域全世界有 300 多个反应堆。

Last Energy 已经将其 10 兆瓦机组中的 20 台卖给了波兰的一位客户，另外两台卖给了罗马尼亚，还有几台卖给了英国。 Kugelmass 说他的知识产权不在于经过验证的组件，而是在于如何将它们组合在一起。 到目前为止，他已经筹集了 24 万美元，由 超级基金，并预计波兰的第一批反应堆将于 2025 年运行。为了为这些机器提供资金，Last Energy 签订了长期购电协议，向客户承诺以低于市场价格提供数十年的零碳核电。 Kugelmass 说：“我们能够开辟出一个无人问津的理想利基市场。” “我们对整个行动进行了黑盒化。”

尽管核聚变的承诺可能很诱人，但如果 Kugelmass 在既定的竞争现实中如愿以偿，可靠的裂变仍可能将其时髦的新表亲归入英雄技术失败的垃圾箱——还记得 Betamax、谷歌眼镜和新可口可乐吗？

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