Tri-Alpha的新能源之梦：5毫秒的可控核聚变和5亿美元的豪赌

位于洛杉矶的能源公司Tri-alpha Energy去年8月曾宣布他们制造出了一台能让超高温的氢等离子体稳定存在5毫秒的设备，虽然这个时间看起来很短，但它意味着目前在核聚变领域研究的方向是确实可行的。而最近他们在可控核聚变领域又取得了新的进展，据报道，Tri-alpha Energy最近得到了5亿美元的投资，他们正在集中精力，将实验室中的一些设备拆除然后重新建设一台更大的装置，并且计划在2020年左右建造一台可实现实用可控核聚变的原型反应堆。

这些是实验室里现有的设备，它们很快就会被规模更大的机器取代，图片来源， technologyreview

人类已经掌握了相当成熟的可控核裂变发电技术，但可控核聚变技术仍处在艰难的研究之中。核裂变虽然技术成熟，但缺点也相对明显：如核废料若处理不当会相当危险，所需燃料在自然界中相当稀少且不可再生等。而核聚变的优势在于： 燃料重水可以直接从海水中提炼，储量几乎无限，而核废料的半衰期极短，几乎不会造成污染。 相比起核裂变发电，核聚变发电是更彻底解决能源危机的方式。

可是以目前的技术手段来说，核聚变面临一个几乎无法实现的困难：反应需要上亿度的高温才能进行。而目前人类还没有找到任何能承受住这么高温度的材料。如何将环境温度加热到一亿度以上同样是一个大问题。目前人类唯一实现了的核聚变反应是不可控的——即氢弹的爆炸，而在氢弹爆炸过程中将温度加热到足够的程度的方法是利用原子弹发生核爆产生的高温，也就是说氢弹是使用原子弹来作为引信的。但这样的聚变过程显然没法用来进行发电，只有寻找到随时控制反应的开始、结束和进行的速率的方法，才能将其用于和平用途。

前面提到核聚变面对的难题主要有两类，都同高温有关：如何将反应所需的原料加热到如此高温的程度？以及当把反应物质加热到这种高温的时候，如何能安全的容纳它？

目前科学界普遍认同的针对这两个问题的解决方案分别是：用激光器加热反应物质，和用磁场来约束反应物质让其不接触到容器的表面来防止容器被烧毁。

激光器加热的效率比较高，而且不需要加热器与被加热物体产生直接的接触。目前为了达到最高的加热效率，激光器都被做成一个球形，发射器从被加热物质的所有方向同时开始加热。目前美国在此领域的研究进展是最快的，其“国家点火装置（National Ignition Facility）”正在实验将192个激光器同时聚焦于一点来进行加热的技术。

国家点火装置，图片来源， Wikipedia

对反应物质进行约束则普遍认为应该交给磁场来完成，通过在环装加速器内产生磁场，参加反应的带电粒子由于电磁感应会被约束在管道的中心而不会接触到管壁，目前最通用的一种约束装置叫托卡马克装置，由前苏联库尔恰托夫研究所的科学家发明，如下图：

图片来源， Wikipedia

但Tri Alpha采用的原理有所不同，它建造了一种叫“场反向配置（field-reversed configuration，FRC）”的装置，除了中间看起来像插了几根棍子进去一样，其他的部分看起来基本是标准的圆柱体。

Tri Alpha设计的反应堆原型示意图，图片来源， youtube

按照Tri Alpha的设想，在反应时，需要反应的物质从两头以极高的速度向中央发射，目前的设备中碰撞的粒子产生的气体云会达到反应所需的高温，目前他们能让反应物达到一千万摄氏度左右的高温。

反应堆的理论模型，粒子在碰撞后产生的气体云会马上消散，图片来源， youtube

但是如果没有别的措施的话，这团气体云很快就会飘散，那几根看起来像插在上面的棍子一样的东西就是为解决这个问题而设置的。它们会发射出几束高能粒子流，据Tri Alpha表示这可以有效延长气体云稳定存在的时间。

加上粒子流之后的效果，下图表格左边的曲线是没有粒子流时的维持时间，右边更亮的曲线是有粒子流时的维持时间，图片来源， youtube

最近Tri Alpha在不断的调整入射粒子流的角度和强度。据他们表示，现在气体云存在的时间已经达到了非常长的程度。足以开始下一步的实验。因此他们在多年的低调行事之后开始公布一些消息，还做出了一个 官方网站 。

调整后（上图）的维持时间（下图坐标轴中的亮线）极大的增加了，图片来源， youtube

如果可控核聚变真正实用化，意味着人类再也不用为能源而困扰。以目前的情况看来，如果想要解决日益迫切的能源危机，几乎没有比可控核聚变更现实的方案了。如果核聚变技术仅仅掌握在少数国家手里可能会导致一些科技寡头的诞生，或许会引发一些意想不到的问题，但风险永远与机遇并存，不能因噎废食。无论如何，率先研发出可控核聚变的一个或一批国家在解决自身能源危机的同时也会在政治和经济上获得极大的优势。这也是几乎所有大国——包括中国都在拼命研发这项技术的原因之一。