Fusion Power 何时可以商业化？

核能有两种类型：裂变和聚变。传统的核电站通过裂变利用铀发电。然而，由于熔毁风险、核废料、扩散风险（即炸弹）和成本，这并不受欢迎。另一方面，Fusion 没有这些问题。但是，它仍在开发中。

“商业融合”是指以类似于碳基资源的成本发电。这要求聚变反应堆产生的电能比消耗的电能多，而且成本要合理。目前，这不可用；然而，过去 10 年进行的实验表明这是可行的。最大的问题是：什么时候？

聚变化学

原子由一个被电子包围的中心原子核组成，如图 2 所示。原子核由质子和中子组成，质子的数量决定了材料的类型。例如，氢有一个质子，氦有两个，锂有三个。电子围绕原子核运行并带有负电荷，而原子核内的质子与中子结合，带有正电荷。

图 2：原子由位于中心的质子和中子组成，被电子包围。

物质以四种不同的状态存在：固体、液体、气体和等离子体。这一点得到了希腊人的认可，他们在 2500 年前说世界是由土、水、风和火构成的。火和闪电是等离子的例子。

通常可以通过将气体加热到大约 10,000˚C 来将气体转化为等离子体。这导致电子与其原子核断开并在空间中自由漂浮。然后可以进一步加热到大约 1.5 亿摄氏度，以将原子核融合在一起并释放额外的热量。后一步是融合。

恒星中的等离子体类似于托卡马克聚变反应堆中的等离子体。太阳的等离子体将地球表面加热到~14˚C，托卡马克的等离子体将其内表面加热到~600˚C。

最容易融合在一起的原子是氘（1 个质子 + 1 个中子）和氚（1 个质子 + 2 个中子）。这些形成氦原子（2 个质子 + 2 个中子）、孤立的中子和更多的热量，如图 3 所示。产生的热量可以通过蒸汽轮机转化为电能或用于制造氢气。

图 3：实现聚变的最简单方法是将氘气和氚气加热到约 1.5 亿摄氏度。这会产生氦、中子和热量。

融合机

融合氘和氚的最简单方法是使用托卡马克反应器，如图 4 所示。主要部件是环形腔、等离子体、磁铁和围绕等离子体的约 1 米厚的结构，称为“毯子。”

为了实现商业聚变，必须从燃烧室中抽空空气，注入氘气和氚气，加热以产生等离子体，将聚变热从毯子转移到蒸汽轮机，然后发电。有关详细信息，请参阅英国 AEA 融合视频。

寻求商业融合

Q等离子体是热输出与热输入的比率。如果这至少大于 5，那么反应堆应该能够在不注入热量的情况下保持聚变。这被称为“点火”或“燃烧等离子体”，类似于用火柴点燃篝火。点燃原木后，火柴被移除，燃料自行燃烧。现在没有发生这种情况；然而，点火是一个重要目标，可能会在几年内实现。

下一步是需要产生比整个系统消耗更多的电力。这被称为“工程盈亏平衡”或“电力盈亏平衡”。

在那之后，人们需要生产的电力成本低于天然气或煤炭的成本。这被称为“经济盈亏平衡”或“商业融合”，这是融合社区的最终目标。

融合数学

可以将圆环的线性尺寸定义为R o (米)，其中R o的三次方是体积(R o 3 )。也可以将中心的磁场定义为 B，以特斯拉 (T) 为单位。

根据聚变物理学，Q等离子体热增益（热输出/热输入）与R o 3 × B 5成正比 。请注意，我们说“与”成正比。实际的等离子体Q值由其他因素决定，例如等离子体温度、限制等离子体的能力和燃料类型。

上述等式意味着磁场强度B加倍导致 Q等离子体增加 32 倍 (2 5 )；并且线性尺寸R o加倍导致 Q等离子体增加八倍 (2 3 )。这也意味着，对于给定的磁体强度，可以计算点火所需的环形尺寸。

融合机

下面是几个聚变反应堆的总结。表中的前三个仍在开发中。

图 5：选择运行或开发中的聚变反应堆

JET 是一项较早的计划（B = 4 T，R o = 4 米）的一个例子，该计划在 1980 年代观察了几秒钟的受限等离子体。

ITER是一个耗资250亿美元的国际项目（B = 5T，Ro =10米），希望在2025年完成建设，希望在2030年代实现点火。它设计为一次运行几分钟并带走热量；但是，它不会发电。ITER 的模型如图 6 所示，右下角有一个人。

ITER 不会在 2020 年代尝试点火，因为这需要氚燃料。氚使内部组件具有轻微的放射性，因此无法使用。随后，ITER 将在 2020 年代进行低功率测试，然后在 2030 年代尝试用氚点火。

1990 年代的 ITER 工程师查看了他们最好的磁铁，并计算出他们需要建造得更大才能点火。然而，大意味着长的开发时间和高成本。根据今天的聚变数学，使用更强大的磁铁和更小的尺寸实现点火成本更低且更容易。

Commonwealth Fusion Systems (CFS) 是麻省理工学院的衍生公司，目前拥有 18 亿美元的风险投资和强大的 12-T 磁铁。这比 ITER 的 5-T 磁体 (12 T ÷ 5 T) 高 2.4 倍，如果其他条件相同，则Q等离子体增加80 倍 (2.4 5 )。

CFS 正在利用其资金和磁铁建造 SPARC（B = 12 T，R o = 3 米），这是一个希望在 2025 年左右实现点火的聚变反应堆。为了最大限度地缩短开发时间，它不会散热，一次只运行几秒钟。

CFS 还在研究 ARC（B = 9 T，R o = 5 米），这是一个希望在 2030 年代投入运行的反应堆。ARC 的设计目的是实现点火、散热、连续运行、发电和实现工程盈亏平衡。CFS 筹集的资金数额巨大，表明投资界看到了融合隧道尽头的曙光。

融合景观

图 7 说明了 Q等离子体如何作为环形尺寸R o和磁场强度B的函数而变化。

图 7：Q等离子体热增益随着环形尺寸的三次方和磁场的五次方而增加。

如果 R o太大，由于环形体积与成本成正比，成本会增加。如果 R o太小，则由于能量输出低，成本会增加。此外，如果磁体强度B太小，则由于低 Q等离子体导致成本增加。综上所述，要实现商业融合，可能需要在图中的 ARC 附近。

Cost and time to develop the reactor are somewhat proportional to the toroidal volume. Therefore, if one wants quick data, they need to be small. ITER is the opposite of small and is taking 30 years to develop. This long duration puts it at risk of being obsolete before completed. ITER’s value is that it’s supported much research over many years and made programs like SPARC and ARC possible. However, if $25 billion had been directed by the world’s top fusion scientists’ month to month instead of funding a large development project, we would probably be further along.

CFS’s quest for commercial fusion via advanced magnets is putting pressure on others to keep up or become irrelevant. The British (MAST-U), Chinese (EAST), Koreans (KSTAR), French (WEST), and others are feeling the heat. However, there are still challenges, several of which are summarized below. And it is not clear when these will be resolved.

Challenge No. 1: Confine plasma

To achieve ignition and make electricity at reasonable cost, the plasma needs to be well-confined. This has been a problem due to internal turbulent behavior within the plasma, as well as other issues, and it is not clear when these will be fully resolved.

粒子被限制在等离子体中的时间称为“限制时间”，Q等离子体能量增益与该时间成正比。换句话说，如果一个人将禁闭时间加倍，Q等离子体也会加倍。

限制时间受等离子室的形状、该室周围控制磁体的位置和数量、检测等离子体的传感器的位置和类型、根据传感器读数控制磁体的反馈控制软件、能力去除氦气废气等因素。

科学家们进行实验以了解更多关于禁闭的信息。然而，在大多数情况下，他们已经从现有的反应堆中学到了一切。为了获得更多知识，他们需要新的和改进的反应堆。

新设备的一个例子是英国的 MAST-U，它有 18 个控制磁铁和许多传感器，在等离子体研究方面比它的许多前辈更有能力。相比之下，ITER 的磁铁更少，内部形状是 25 年前设计的。SPARC 的等离子限制也很现代，类似于 MAST-U。

图 8：英国现代聚变反应堆 MAST-U 的侧视图（来源：CCFE）

挑战二：培育氚

如上述聚变化学方程式中所述，氚作为燃料被消耗。此外，氚是昂贵的。因此，聚变反应堆需要自己制造氚。这被称为“增殖”并且是可行的，因为当中子撞击其他原子（例如锂）时会产生氚，如图 9 所示。换句话说，等离子体周围的覆盖层需要包含锂并且需要包含提取新产生的氚气的机制。这一切皆有可能；然而，它从未被充分证明。

图 9：来自等离子体的中子轰击毯中的锂以产生氦和更多的氚。

挑战 3：排出热量

聚变机产生两种类型的热量，这两种热量都需要去除。一种来自于对环形内表面辐射的光子。另一个来自穿透该表面并加热毯子的中子。穿透发生约一米；然而，大多数加热发生在前 20 厘米内。毯子的主要目的是捕获热量并将其向外移动，如图 10 所示。

图 10：毯子吸收中子，向外移动热量，保护外部结构免受中子损坏，并通过锂产生更多的氚。（来源：MITSPARC）

典型的熔融内表面加热为 1 MW/m 2。这是具有挑战性的，尤其是在存在强磁场和中子辐射的情况下。作为参考，日光浴者会产生 0.001 MW/m 2的表面加热，而重新进入大气层的宇宙飞船会产生 500 倍以上的热量，如图 11 所示。

图 12 显示了如何通过毯子移动热量的示例概念。左侧的等离子体向碳化硅金属壁（蓝色）发射光子（红色）。这面墙的后面是一层流动的熔融锂铅（紫色）和一层流动的熔融锂盐（棕色）。这些层之后是约 1 米厚的熔融锂盐储层（橙色）（例如 FLIBE），它吸收基于中子的体积热并滋生氚。

图 12：等离子体的中子辐射被毯子吸收并转化为热量。

如前所述，成本在某种程度上与环形体积成正比，并且大部分体积热量传递到毯子内的前 20 厘米体积。因此，为了在经济上可行，机器必须通过中子将大约 20 MW/m 3的能量移动到该体积中，并通过流动的液体将其移出。美国家庭平均消耗约 0.001 兆瓦的电力；因此，这就像通过辐射将价值 20,000 户家庭的电力转移到一立方米中，然后通过流动的液体将其转移出去。

挑战 4：最小化中子损伤造成的成本

中子轰击固体材料中的原子晶格结构，使它们随着时间的推移而变脆。液体没有这个问题，因为它们没有晶格结构。随后，毯子中的第一米固体成分大约需要每年更换一次。以低成本做到这一点是一个挑战。一种可能的方法是抬起反应堆的上半部分，露出易碎的部分，然后更换和恢复上半部分，如图 13 所示。

图 13：如何拆卸反应堆以更换被中子辐射损坏的内部组件的示例（来源：https ://www.burningplasma.org/activities/uploads_tec_talk1/FESAC_TEC_Demountable_Coils_FinalDraft.pdf ）

挑战 5：知识产权协议

多方持有多项聚变专利。随后，拥有重要专利的每一方都可能会阻止制造商。顶级专利持有人同意分享的大交易将是有帮助的。然而，一些专利所有者的要求可能比其他人愿意容忍的要多。一种解决方案是在专利到期后进行商业融合。 

随着我们越来越接近商业融合，人们可能会认为专利协议变得更加重要。然而，这并不完全正确。如果在此之前很久就达成协议，工程师更有可能利用他人控制的技术，这可能会提高他们的生产力。例如，如果当今世界的聚变工程师能够使用 CFS 磁体，他们就可以更轻松地专注于商业聚变。

融合研究 

为了发现新知识，科学家们构思了经过实验检验的理论。在某些情况下，他们使用计算机来模拟理论并预测实验结果。如果模拟始终如一地预测结果，则认为它是基于有效的理论。进行新实验所需的时间会影响科学家验证理论的速度。在聚变的情况下，进行新的实验通常需要建造一个新的聚变反应堆，这需要 5 到 30 年。

人们可以将聚变分解为单独的科学问题，例如磁体开发、等离子体约束研究和毯式研究。在每一种方法中，人们都可以看到进行实验的最简单方法。例如，要开发磁铁，需要一个测试磁铁的测试夹具，而不是大型聚变反应堆。为了测试等离子限制和排气，人们需要像 MAST-U 这样的东西，这是一个带有相对简单磁铁的小型反应堆。

工程师可以在不离开办公桌的情况下对整个聚变反应堆进行仅纸质设计。他们可以从设计目标开始，例如“设计一个商业上可行并使用现有材料的反应堆”。他们可以计算成本，计算物理参数，并模拟磁铁产生的力之类的东西。此外，他们可以汇总尚未解决的问题列表。

Fusion 工程师已经完成了上述所有工作。他们已经分解了组成部分，他们已经展示了它们的实验工作，他们已经完成了商业聚变反应堆的纯纸设计，并且他们已经收集了需要注意的问题清单。在 CFS 开发出强大的磁铁之前，仅纸质设计无法通过现有技术实现点火。然而，新的磁铁改变了这一点，商业融合的纯纸设计开始形成。剩下的主要问题是在高磁场和高中子辐射的情况下低成本的散热。工程师们正在为此努力。

在这十年里，要让商业融合运行起来需要什么？

为了加速核聚变研究，基金会或政府可能会设立一个额外的研究基金，由世界顶级核聚变科学家指导，并获得每年数亿美元的资金支持。脱碳可能会花费世界数万亿美元；因此，更多的融合资金是合理的。政府和基金会应该问：“顶级团队会用更多的钱做什么，可能的结果是什么？” 和“在这十年中运行商业融合需要多少成本？”

结论

磁铁和等离子限制的最新进展导致资本涌入，其中大部分流向了强大磁铁的持有者 CFS。金钱和磁铁是危险的组合；然而，讨厌的问题可能会延迟成功。为了加速发展，基金会和政府应该考虑更多的支持，可能由世界顶级聚变科学家指导。

审核编辑 黄昊宇