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　　核能有两种类型：裂变和聚变。传统的核电站通过裂变用铀发电。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。

　　“商业聚变”是指以与碳基能源相似的成本发电。这要求聚变反应堆产生的电能多于消耗的电能，并且成本合理。目前，这还没有运作;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核组成。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。电子绕原子核运行并带负电荷，而原子核内的质子粘附在中子上，带正电荷。

　　物质以四种不同的状态存在：固体、液体、气体和等离子体。2500年前希腊人就认识到了这一点，他们说世界是由土、水、风和火构成的。火和闪电是等离子的例子。

　　人们通常可以通过将气体加热到大约 10,000˚C 将其转化为等离子体。这导致电子与其原子核分离并在太空中自由漂浮。然后可以进一步加热到大约 1.5 亿摄氏度，使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至约 14˚C，而托卡马克的等离子体将其内表面加热至约 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。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。

　　融合机

　　聚变氘和氚的最简单方法是使用托卡马克反应堆。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，必须从反应室中抽空空气，注入氘气和氚气，增加热量以产生等离子体，将聚变热从毯子转移到蒸汽轮机，然后发电。详情请看英国AEA融合视频。

　　寻求商业融合

　　Q plasma是热量输出与热量输入的比率。如果这至少大于 5，则反应堆应该能够在不注入热量的情况下维持聚变。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，点火是一个重要的目标，可能会在几年内实现。

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

　　在那之后，人们需要生产电力的成本低于天然气或煤炭。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Ro(米)，其中Ro的三次方是体积 ( Ro 3 )。也可以将中心的磁场定义为 B，单位为特斯拉 (T)。

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

　　上面的等式意味着磁场强度B加倍会导致 Q等离子体增加 32 倍 (2 5 );线性尺寸 Ro 加倍会导致Q等离子增加八倍 (2 3 )。这也意味着，对于给定的磁体强度，可以计算出点火所需的环形线圈尺寸。

　　融合机

　　以下是几个聚变反应堆的总结。表中的前三个仍在开发中。

　　JET 是一个较早的计划(B = 4 T，R o = 4 米)的一个例子，它在 1980 年代观察了数秒的受限等离子体。

　　ITER是一个250亿美元的国际项目(B = 5T，Ro =10米)，希望在2025年完工，并希望在2030年代实现点火。它设计为一次运行几分钟并去除热量;但是，它不会发电。ITER的模型如图6所示，右下方是一个人。

　　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，因此无法进行维修。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 工程师研究了他们最好的磁铁，并计算出他们需要建造更大的磁铁才能点火。然而，大需要较长的开发时间和高成本。根据今天的核聚变数学，用更强大的磁铁和更小的尺寸实现点火成本更低、更容易。

　　Commonwealth Fusion Systems (CFS) 是麻省理工学院的衍生公司，目前坐拥 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) 多 2.4 倍，如果其他条件相同，这意味着 Q等离子体增加80 倍 (2.4 5 )。

　　CFS 正在使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，它不会散热并且一次只运行几秒钟。

　　CFS 还在研究 ARC(B = 9 T，R o = 5 米)，这是一种希望在 2030 年代投入运行的反应堆。ARC 被设计成实现点火、带走热量、连续运行、发电并实现工程收支平衡。CFS 筹集的资金数额巨大，表明投资界看到了聚变隧道尽头的曙光。

　　融合景观

　　说明了 Q等离子体如何作为环形线圈尺寸Ro和磁场强度B的函数而变化。

　　如果Ro太大，由于环形体积与成本成正比，成本增加。如果Ro太小，成本会因低能量输出而增加。此外，如果磁体强度B太小，则成本会因低 Q等离子体而增加。综上所述，要实现商业融合，可能需要在图中的 ARC 附近。

　　开发反应器的成本和时间与环形体积多少成正比。因此，如果想要快速的数据，它们就需要很小。ITER与small相反，需要30年的时间才能发展起来。如此长的持续时间使其面临在完成之前被淘汰的风险。ITER 的价值在于它多年来支持了大量研究，并使 SPARC 和 ARC 等计划成为可能。然而，如果 250 亿美元由世界顶级聚变科学家逐月投入，而不是资助大型开发项目，我们可能会走得更远。

　　CFS 对通过高级磁铁进行商业聚变的追求正在给其他人施加压力，要求他们跟上步伐或变得无关紧要。英国人 (MAST-U)、中国人 (EAST)、韩国人 (KSTAR)、法国人 (WEST) 和其他人都感受到了压力。然而，仍然存在挑战，其中一些挑战总结如下。目前还不清楚这些问题何时会得到解决。

　　挑战一：限制等离子体

　　为了以合理的成本实现点火和发电，等离子体需要被很好地限制。由于等离子体内部的湍流行为以及其他问题，这一直是一个问题，目前尚不清楚这些问题何时才能完全解决。

　　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，如果限制时间加倍，Q等离子体也会加倍。

　　限制时间受以下因素影响：等离子体室的形状、该室周围控制磁铁的位置和数量、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铁的反馈控制软件、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知识。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。

　　英国的 MAST-U 就是一个新设备的例子，它有 18 个控制磁铁和许多传感器，在等离子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 的等离子体约束也是现代的，类似于 MAST-U。

　　挑战二：培育氚

　　如上述聚变化学方程式中所述，氚作为燃料消耗。此外，氚很昂贵。因此，聚变反应堆需要自己制造氚。这被称为“繁殖”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。这一切都是可能的;但是，它从未得到充分证明。

　　挑战 3：散热

　　融合机产生两种类型的热量，这两种热量都需要去除。一种来自辐射到环形线圈内表面的光子。另一个来自穿透该表面并加热毯子的中子。穿透大约一米;然而，大多数加热发生在前 20 厘米内。毯子的主要用途是捕获这些热量并将其向外移动。

　　典型的聚变内表面加热为 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，而重返大气层的宇宙飞船会产生 500 倍以上的热量，。

　　显示了如何通过毯子传递热量的示例概念。左侧的等离子体向碳化硅金属壁(蓝色)辐射光子(红色)。在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)。这些层之后是一个约 1 米厚的熔融锂盐(例如 FLIBE)储层(橙色)，它吸收基于中子的体积热并产生氚。

　　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前 20 厘米的体积。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的能量移入该体积，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 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。

　　第 4 项挑战：将中子损坏造成的成本降至最低

　　中子轰击固体材料中的原子晶格结构，并随着时间的推移使它们变脆。液体没有这个问题，因为它们没有晶格结构。随后，毯子中第一米的固体成分需要大约每年更换一次。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器的上半部分，露出易碎的部分，然后更换和恢复上半部分。

　　挑战五：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阻止制造商。顶级专利的持有者同意分享的大交易将很有帮助。然而，一些专利所有者的要求可能超出其他人愿意容忍的范围。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 磁铁，他们就可以更轻松地专注于商业聚变。

　　聚变研究

　　为了发现新知识，科学家构想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，则认为它基于有效理论。进行新实验所需的时间会影响科学家验证理论的速度。就聚变而言，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 年的时间。

　　人们可以将聚变分解为单独的科学问题，例如磁体开发、等离子体限制研究和综合研究。在每一个中，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。为了测试等离子体的限制和排放，人们需要像 MAST-U 这样的东西，这是一种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纯纸设计。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诸如磁铁产生的力之类的东西。此外，他们还可以列出尚未解决的问题。

　　Fusion 工程师已经完成了上述所有工作。他们分解了组成部分，通过实验展示了它们，完成了商业聚变反应堆的纯纸质设计，并汇总了需要注意的问题清单。在 CFS 开发出强大的磁铁之前，纯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初具规模。剩下的主要问题是在存在高磁场和高中子辐射的情况下低成本散热。工程师们正在努力解决这个问题。

　　在这十年内要让商业核聚变运行起来需要什么?

　　为了加速聚变研究，基金会或政府可能会设立一个额外的研究基金，由世界顶级聚变科学家指导，每年提供数亿美元的资金支持。脱碳可能会使世界损失数万亿美元;因此，更多的资金用于聚变是合理的。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?” 以及“在这十年内运行商业核聚变需要多少成本?”

　　结论

　　磁铁和等离子体限制的最新进展导致资本涌入，其中大部分流向了强力磁铁的持有者 CFS。金钱和磁铁是危险的组合;但是，讨厌的问题可能会延迟成功。为加速发展，基金会和政府应考虑提供更多支持，可能由世界顶级聚变科学家指导。