國家實驗室解鎖核聚變——真正的突破、新奇法案，還是兩者兼而有之？

N長期以來，核聚變一直是真正清潔能源的聖杯。 氫原子的碰撞有望產生無限的電力、零碳排放、最少的放射性廢物和零災難性熔毀的可能性。 但半個世紀以來，聚變科學家一直受到激光功率和磁場強度的限制——在此之前，他們從未弄清楚如何從原子粉碎中提取比輸入更多的能量。直到現在。

今天科學家們在 國家點火設施 在 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 加州 (LLNL) 將在 1 月初透露，他們首次成功實現了大於 2,000 的能量增益——也就是說，更多的能量從他們的氘-氚燃料艙內的反應中釋放出來（XNUMX 兆焦耳）比包含在 192個激光器 他們用它炸毀了它。

這是一件大事，值得慶祝，但多少已成定局，最近離開 LLNL 聚變團隊成為初創公司科學總監的等離子體物理學家 Debra Callahan 說 專注能量，它已經在努力將該方法商業化。

Callahan 知道 LLNL 將在去年達到其激光能量輸入的 72% 的能量輸出後實現淨能量增益。 “這對我來說並不意外。 鑑於 我們看到的結果路徑，它將會發生，”她說。 他們只需要稍微多一點的激光功率。 那麼它是怎樣工作的？ 想像一個由金製成的空心小圓柱體，可以放在您的手掌中。 這就是所謂的 黑腔. 空腔內部有一個微型燃料艙，裡面裝有氘和氚原子。

他們之所以使用黃金，是因為它保存著當他們用 173 台世界上最強大的激光照射空腔兩端時產生的 X 射線。 卡拉漢說，“它就像一個 X 光爐”，它會極大地壓縮燃料，以致內爆並點燃膠囊中心原子之間的聚變。 然後聚變以波的形式從中心向外傳播，散發出驚人的熱量。 所有這一切都發生在十億分之一秒內。

為什麼卡拉漢在他們正處於成功的風口浪尖時離開了LLNL？ 因為，她說，國家點火裝置不是聚變機器。 空腔非常適合演示點火，但它不一定足夠有效來設計連續脈衝聚變，因為在加熱金而不是氫燃料時損失了太多的殘餘激光能量。 所以在 Focused Energy（由 Prime Movers實驗室 和 新企業協會) 他們的計劃是放棄空腔，而是使用“直接驅動”方法——將激光直接發射到燃料艙上（見示意圖）。

他們還沒有證明它是有效的，但 Callahan 相信在幾年內他們的試點項目將實現 10 倍的能量增益。 接下來是第二個發電廠達到 30 倍增益，然後是 2030 年代末他們的第一台商用發電機，有望實現 100 倍能量增益並每秒爆破 10 個燃料艙。

但其中存在一個特殊的挑戰。 以每秒 10 個膠囊計算，他們的機器每天將使用近 900,000 個膠囊。 這不像把煤鏟進爐子； 每個膠囊都需要按照嚴格的標準製造，並以完美的時機射入機器。

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那現實嗎？ 一些聚變競爭對手不這麼認為。 General Fusion 是一家總部位於加拿大溫哥華的聚變公司，昨天宣布了自己的里程碑。 它的方法被稱為磁化目標聚變，涉及一台機器，他們將氫等離子體球注入機器，並使用強大的磁鐵固定它，同時用機械活塞而不是激光進行壓縮。 首席執行官 Greg Twinney 預計 General Fusion 正在英國建設的試驗工廠將在 2027 年展示聚變，並在 2030 年代初準備好商業設計。 “當我們看到這樣的消息時，我們並不感到驚訝，”他說。 但是 LLNL 的方法不能外推到一個工作的核聚變工廠，這就是 General Fusion（由 Jeff Bezos、Shopify 提供的 300 億美元支持）線上商城
CEO Tobias Lutke 和 Temasek 等人）從一開始就著手去做。 “我們所做的一切都集中在商業發電廠上，”他說。 “如果它在科學實驗中有效但不商業化，我們對此不感興趣。”

LLNL 的消息引起了總部位於西雅圖的聚變初創公司首席執行官大衛柯特利的類似回應 海利恩，由科技大亨彼得泰爾、山姆奧特曼、達斯汀莫斯科維茨、里德霍夫曼和傑夫斯科爾提供 600 億美元的支持。 “我們很高興他們的機器達到了他們的科學里程碑，”柯特利說。 但他並不覺得受到“並非設計用於發電的研究設備”的威脅。 相比之下，Helion 的 60 英尺長核聚變機的操作涉及在兩端注入等離子球，在強磁場控制的 100 億度反應中將它們粉碎在一起。 在 Helion 的新系統中，聚變反應中釋放的能量不斷地向外推其磁場，而磁場又向後推——導致“像活塞一樣”的振盪，Kirtley 說，這會產生電流，Helion 直接從反應堆中捕獲電流。 （有關更多信息，請繼續閱讀 法拉第感應定律.)

Helion 正在建造它的第 7 個原型並設計第 8 個原型，Kirtley 希望這將成為第一個商業聚變發電機——如果一切順利，可能在本十年末連接到電網。 他說，聯邦核監管機構似乎準備讓他們的機器遵守與粒子加速器和醫院使用的那種成像機器相同的規則。

還有許多其他公司在追求最成熟的聚變方法—— 託卡馬克 概念，其中等離子球被注入一個形狀像空心甜甜圈的反應室，由強大的磁場控制。 英聯邦融合麻省理工學院的一個分支機構，正在尋求使用超高溫超導材料來完善託卡馬克裝置，首席執行官 Bob Mumgaard 認為這將使他們能夠在本世紀末擁有一個工作的聚變裝置。 總部位於聖地亞哥的通用原子公司（最著名的 發明捕食者無人機)，幾十年來一直在為能源部操作託卡馬克裝置，並且正在設計一種新機器。 GA 還為世界上最大的聚變項目建造了可以說是世界上最強大的磁鐵，稱為中央螺線管 30 億美元 ITER 在法國建設中。 如果其他聚變初創公司有他們的方式，ITER 甚至在下個十年的某個時候完成之前就會過時。 GA（由億萬富翁 Neal Blue 擁有）與 Savannah River 國家實驗室建立合作夥伴關係，為 LLNR 和 Focused Energy 等基於激光的聚變機器製造燃料顆粒。

無論你在聚變領域與誰交談，他們對歷史悠久的核裂變反應堆的批評都是一樣的。 裂變反應（其中濃縮鈾的大原子被分解）產生放射性廢物，包括钚和可以武器化的危險錒系元素。 與難以啟動且易於停止的聚變不同，裂變反應易於啟動且難以停止，從而引入了災難性熔毀的風險。 較新的設計，例如 西屋 AP1000 美國和中國都在建設的裂變反應堆具有被動安全措施，幾乎可以防止熔化。

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一些原子企業家認為裂變就足夠了。 Bret Kugelmass，創始人兼首席執行官 最後的能量，五年前開始設計世界上最高效、最經濟的核反應堆。 在確定他的方法之前，現年 36 歲的 Kugelmass 採訪了數百名核工業專家（並將談話放在他的 核播客泰坦) 匯集業界的集體智慧。 儘管庫格瑪斯對聚變的長遠未來充滿信心，但他認為世界上擺脫化石燃料的最佳選擇在於以最簡單、最便宜、最安全的方式建造模塊化裂變反應堆。 Last Energy 在休斯敦附近的工廠正在製造其首個小型模塊化壓水反應堆，該反應堆利用通過現有核供應鏈採購的現成組件，其技術經過數十年的完善，並用於更多領域全世界有 300 多個反應堆。

Last Energy 已經將其 10 兆瓦機組中的 20 台賣給了波蘭的一位客戶，另外兩台賣給了羅馬尼亞，還有幾台賣給了英國。 Kugelmass 說他的知識產權不在於經過驗證的組件，而是在於如何將它們組合在一起。 到目前為止，他已經籌集了 24 萬美元，由 千兆基金，並預計波蘭的第一批反應堆將於 2025 年運行。為了為這些機器提供資金，Last Energy 簽訂了長期購電協議，向客戶承諾以低於市場價格提供數十年的零碳核電。 Kugelmass 說：“我們能夠開闢出一個無人問津的理想利基市場。” “我們對整個行動進行了黑盒化。”

儘管核聚變的承諾可能很誘人，但如果 Kugelmass 在既定的競爭現實中如願以償，可靠的裂變仍可能將其時髦的新表親歸入英雄技術失敗的垃圾箱——還記得 Betamax、谷歌眼鏡和新可口可樂嗎？

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