走近人类能源的圣杯－－“可控核聚变”（下）（原创）

这回咱们聊聊核聚变工程当中的非主流派：

这里所说的非主流派是指他们的聚变发电实现方式和细节不同于标准的磁约束方法，相对于主流派按部就班的学院作风，非主流派则显得更酷、更具实战风格，他们的聚变方法多基于快速实现商业发电而对标准磁约束法进行了改进或另选他路，他们多为私营企业或由私营企业重点赞助的团队，所以钱是他们不得不考虑的一个重要问题，为了让投资者保持乐观，他们会保持高效、积极展示推进计划，让你感到实现终极目标触手可及。

接下来就随小编一起，去看下几家非主流派的代表，深入他们的聚变实现原理和实现细节，一起找到那匹最有希望的黑马，我还会为他们实现商业发电目标打个分，注意打分只是代表小编的个人看法。

商业发电的残酷之处不在于技术实现的难度，而是在于聚变发电的成本价将会与其他能源发电成本价一比高下，而其中一些肯定会失败或转型，这样的牺牲是必要而令人崇敬的。

一、通用核聚变公司（关键词：同步瞬撞压缩）

物理学家米歇尔·拉贝博士站在自己公司的LOGO旁，旁边是他们的原理验证实验装置（嗯。。。把谁家的氧气罐给搬过来焊一块了？）。

成立于2002年，其目标是通过开发最快、最实用、最具成本竞争力的商业核聚变能源途径来改变世界能源供应。2006年，公司创始人物理学家米歇尔·拉贝博士完成了原理验证实验，吸引到了包括亚马逊的杰夫-贝索斯（Jeff Bezos）、微软和其他许多公司以及加拿大官方作为自己的投资方和合作伙伴。目前在加拿大温哥华郊外的伯纳比(Burnaby)拥有一个70多名员工的世界级实验室，正在开发世界上第一座核聚变示范电站的关键部件。2018年2月，通用聚变公司首席执行官兼创始人莫里曾表示，该公司将在2018年底前为示范电厂选址，示范电站的建造和运营周期为5年，而后视情推进商业电站的建设和大规模运用。

来看一下他们的聚变实现方法，他们的核聚变构想一开始叫做同步瞬撞核聚变，米歇尔·拉贝博士曾在TED论坛上介绍过他的构想，后来改称为磁化靶聚变系统。不同于标准的磁约束，他通过活塞压缩液态金属增加等离子体瞬态的压力、密度，从而降低对温度的过度依赖。

以他们最近的一个正在建设中的示范原型电厂为例（实现较低的聚变频率），具体的发电过程是这样的：

建造一个如上图所示的压缩聚变球室，里面装满液态金属，球室上插满了活塞，球室的顶部是等离子体注射器

当温度350ev的氘氚等离子体被注射进入压缩球室时，电控装置控制活塞同时压缩3.5毫秒，在高温和高压的条件下使等离子体进入聚变状态，温度达到>10 KeV（等离子体的温度通常用ev来表示，即等离子体粒子携带的能量，若换算成温度大约1.16亿度，但并不准确），液态金属同时吸收能量及产生的中子，后面步骤所采取的发电系统与目前火力发电的基础设施大致相同，通过热交换系统将液态金属的温度转移，水蒸气带动汽轮机发电。通用聚变发电厂也将是模块化的，允许多个机组被部署到大城市或重工业。

蒸汽朋克！真是个好点子！你感觉怎么样，相信你和我一样，心中蹦出2个词，美感、简洁，这是成功系统的必要条件，无论是在工程制造还是理论物理或其他等方面，这有点像柴油发动机，系统貌似具有较大的容错性，其建造规模可大可小，容错性应该与系统的大小成反比，在小编看来，这才是真正的仿星器，因为恒星内部同时提供了高温和高压两个条件，这样更容易使聚变发生。

来看一下他的关键组件：等离子体喷射器、活塞、压缩室

1.第三代等离子体喷射器PI3

过去10年，该公司开发并测试了18台越来越复杂的等离子喷射器，直到这台PI3，这是迄今为止开发的最大、最强大的等离子喷射器。它成功地将从15万个等离子体实验中获得的知识和技术转化为一台与商业聚变发电站所需规模相当的机器。

2.压缩气体驱动活塞

蒸汽驱动活塞将等离子体压缩到聚变状态。不需要在其他聚变方法中的奇异的激光或巨大的超导磁铁，简洁成熟的机械设计可以在商业发电厂实际应用。这种东西在聚变装置里面应该算是低技术含量的东西了，但以商业为目的聚变发电不就应该如此吗，多采用成熟的技术提高系统的稳定性。

3.压缩室

上图是通用聚变公司提出的原型系统（目前还没造出来），未压缩的等离子体（粉色）显示在左侧，压缩后的显示在右侧。通过控制液态金属（据说是熔融铅和锂，但官方资料并有给出准确的成分）旋转，使中心形成一个空腔，而后等离子体喷射器PI3将等离子体注入这个空腔，密密麻麻的活塞通过电控系统同时推动向心压缩，过程中将保持液态金属旋转的角动量以应对瑞利-泰勒不稳定性。（瑞利-泰勒不稳定性：指的是两种密度不同的流体之间的界面的不稳定，打个比方，就是你用手用力捏泥巴想压缩它，它在这个过程中会从你的手指缝挤出来）。

液态金属可以吸收来自聚变反应产生的能量，然后将其泵入热交换器。还能充当中子毯保护固体外壁不受中子撞击，混合其中的液态锂受中子撞击后还可产生氚。

这是为该公司研究压缩技术而制造的小型实验平台。（满眼的棍子）

正在进行的等离子体压缩测试，脉冲电容器供电、真空系统、控制室、数据回收等模块分别集成在不同的集装箱中。

希望值：90

资金及扶持力度：有加拿大官方的重点支持，以及贝索斯等大牌的投资，目前募集资金12亿美元以上。

技术：同步瞬撞，其控制精度要求在当下不是难事，采用氘氚聚变，聚变条件较易。将实现聚变的难度部分转移成机械控制的难度，容错率高。

进度：有明确的时间表且推进速度正常，示范电站被承诺5年后投入运转，目前已经在加拿大不列颠哥伦比亚省建设中。

二、三阿尔法能源公司（关键词：等离子体束对撞、反场约束）

公司成立于1998年，主要设施在加利福尼亚州的奥兰治县，有一个超过160人的团队，以建立具有商业竞争力的聚变发电站为目标，TAE Technologies获得了来自世界领先的能源和技术投资者的5亿多美元风险投资，其中包括New Enterprise Associates (NEA)、Venrock和Wellcome Trust。股东包括谷歌，以及全球的技术公司和大学。

聚变设备：CBFR（碰撞粒子束聚变反应堆）技术实现过程

如上图所示，通过电容器的强大瞬间放电，在两端的柱状真空室形成等离子云，在外部磁场的作用下（橙色半圆为磁铁，采用反场约束）被射入真空室中心以极高的速度对撞，同时中间的真空室对其以中性原子束进行加热和旋转用以稳定离子云，以期达到聚变所需的能量。（是不是感觉有点向LHC）。

上图为三阿尔法公司的注入器（黄色和银色部分）会射入中性原子束（具体是什么不详），加热并让等离子云保持在中心室。

来看一下技术细节：

友好型聚变，该公司构想以氢硼为聚变燃料，氢、硼不具放射性，氢原子核与硼11聚变后产生3个氦4原子核（即阿尔法粒子，这也解释了他们公司的名称），因为阿尔法粒子带正电，也可以通过磁场进行约束，不会有中子问题。氢燃料近乎无限，硼储量也是极为丰富，根据美国地质局数据显示,2017年全球硼资源储量达11亿吨，硼11占硼元素储量的80%以上。

中科大的反场箍缩磁约束聚变实验装置“Keda Torus eXperiment”（KTX，中文简称“科大一环”），磁铁部分与三阿尔法公司的CBFR装置是不是有点相似？

采用反场箍缩约束：反场箍缩最重要的特点体积相对较小，功率密度高。其约束等离子体的磁场是由等离子体内部电流所产生，具有纯欧姆加热达到聚变点火条件、高质量功率密度等优势，可以视作标准托卡马克三种磁场合一的改进型磁约束装置。

希望值：50

资金及扶持力度：目前募集资金5亿美元以上，无政府投资

技术：装置结构复杂、容错率低，采用氢硼聚变，绿色环保，愿景美好，但实现聚变难度超大，氢硼聚变“比结合能差”比氘氚聚变要小（能量输出相对较小），且聚变条件比氘氚要求高得多，他们得将容器内的温度加热至30亿度。相比之下，氘氚聚变只需要上亿度的高温，至今团队仍然未达到聚变所需要的条件，根据其官方公布的2019年10月份研究报告，通过最新的C-2W改进型装置，团队获得了30 ms稳态、400ev的温度的等离子体（按1ev约11605K算算，差得不是一点半点吧）。

进度：还处于实验阶段，并没有说怎样发电，虽然阿尔法粒子带电，但并没有收集感应电流的装置，也无示范电站、商业电站方面尚无明确的时间表。

三、LPPfusion公司（Lawrenceville Plasma Physics劳伦斯维尔等离子物理）（关键词：聚焦聚变、钨电极）

LPPFusion是一家致力于环境清洁的Focus Fusion技术的高科技研发公司。其聚变研发项目最初是由NASA的喷气推进实验室资助的（起点不错），现在得到了500多家私人投资者的支持（他们的募集资金方式还包括众筹，如果你的净资产为100万美元或年收入为20万美元，你就是合格投资者，惊！），其中包括巴尔的摩的阿贝尔基金会。目前在新泽西州米德尔塞克斯的实验室努力论证焦点聚变的科学可行性。

（公司总裁兼首席科学家埃里克·勒纳的惊鸿一瞥，这眼神，醉了）

公司总裁兼首席科学家埃里克·勒纳(Eric Lerner)从事高密度等离子体聚焦(DPF)研究已有30年。从1984年开始，他发展了一个详细的关于DPF的定量模型。基于这一理论模型，他提出DPF可以在高密度下获得高的离子和电子能量，适用于先进的燃料聚变和空间推进（后面这个说明了原来他们的出发电可能是为NASA研制离子发动机？）。根据与NASA喷气推进实验室的一系列合同，他计划并参与了测试和证实这一理论的实验。

此外，他还建立了量子磁场效应对DPF功能作用的原始模型，表明该效应对提高离子温度和降低电子温度有很大的影响，可以减少等离子体不必要的x射线冷却，基于这一点，他们可以在自己的聚变装置中控制x射线产生的多少。

聚变装置：高密度等离子体聚焦装置(DPF)

下面2张图他们的聚变装备“高密度等离子体聚焦装置(DPF)”，又被称作聚焦聚变装置（等下你就知道为什么叫做这个了），

官方定位：年轻人的第一台核电站（雷军打CALL）

LPP公司的聚焦聚变装置的定位是一种小型的核电装置，不需要复杂庞大的辅助设备以及热交换发电装置，他甚至可以部署在你家的后院，一台5000Kw的聚焦聚变发电机可能耗资约30万美元。

具体的聚变过程官网解释是这样的：

上图就是他们的核心装备，钨电极，由两个相互嵌套的圆柱形金属电极组成。外部电极的直径一般不超过6-7英寸，长度不超过1英尺。电极被封闭在真空室中，低压气体填充它们之间的空间（也是氢和硼）（就这？对！就靠它，没有活塞，没有加速对撞）

电容器组发出的脉冲电流通过电极。在几百万分之一秒的时间里，强烈的电流从外部通过气体流向内部电极。电流开始加热气体，产生强烈的磁场。在自身磁场的引导下，电流自身形成一层薄薄的等离子体细丝鞘。

上图是氮气混和物在钨电极上的预电离

这个鞘层会到达内电极的末端，在那里电流产生的磁场会挤压和扭曲等离子体，使其变成一个直径只有千分之几英寸的致密小球（聚焦），这就是所谓的等离子粒团。所有这些都是在没有外部磁场引导的情况下发生的。

磁场会很快崩塌，而这些变化的磁场会产生电场，导致一束电子朝一个方向流动，而一束离子(失去电子的原子)朝另一个方向流动。电子束将等离子体加热到极高的温度，相当于数十亿摄氏度(100 keV或更高的粒子能量)。

电子与离子的碰撞产生短脉冲的高强度x射线，利用磁场效应，能量可以从电子转移到离子。离子之间的碰撞会引起聚变反应，从而给等离子体增加更多的能量。所以最后，离子束包含的能量比原始电流输入的能量要多。(电子束的能量在等离子体内部耗散以加热它。)即使等离子体只持续10纳秒(十亿分之一秒)左右，这也会发生，因为等离子体的密度非常高，接近固体密度，很可能发生碰撞，而且碰撞发生得非常快。

带电离子束被导入减速机，减速机的作用类似于反向的粒子加速器。他们不是用电来加速带电粒子，而是减速带电粒子并发电,其中一些电能被循环利用来为下一个聚变脉冲提供能量，而剩余的(净)能量则可以加入电网了。

另外，作为副产品，聚过过程中产生的x射线能量可以通过光电效应(如太阳能电池板)直接转化为电能。

估计大家和我一样，觉得有点太黑科技了，还是搞不清楚他的聚变原理，来看下官方对媒体的解释要点：

有什么黑科技？　不同于真空零点能、冷聚变，其于电磁学和量子力学等科学理论，没有新的物理理论被引用；利用的是太阳耀斑中或在宇宙中以更大的尺度观察到的自然现象。

既然你们的非中子聚变这么牛逼这么好用，为什么研究团队只有你们一个？　　不！，该项目涉及世界各地的几十个实验小组，历时40多年，多年来，等离子体聚焦装置一直受到资金严重不足的困扰，在理论理解上也面临挑战，但现在它已经成为昂贵的托卡马克聚变方法的最有前途的替代方案之一　，LPPFusion的主要贡献在于发展了等离子体聚焦的定量理论。

你们的聚变装置产生的电够便宜不？　　简单地替换热源不能产生廉价的电力，聚焦聚变发电机直接输出电，避免使用昂贵的涡轮机和发电机，现代发电厂的大部分成本来自涡轮机、发电机和处理蒸汽和水的相关管道。所以我们够便宜。一台5000Kw的聚焦聚变发电机可能耗资约30万美元，每千瓦时发电成本仅为0.2美分

你们这算是冷核聚变吗？冷聚变是指在室温条件下，用溶液和电极在一个简单的反应池中进行聚变反应，要使冷聚变起作用，必须进行一些新的物理过程，那是可能的，但要了解反应机制需要很长时间。聚焦聚变利用现有的物理理论，实验证明，聚变所需的高温、等离子体密度和约束时间是可以实现的。

为什么国际社会只专注于托卡马克？为小规模聚变项目提供资金存在着体制上的障碍，包括但不限于Focus fusion。在过去的30年里，几乎所有的核聚变资金都集中在托卡马克技术上，然而托卡马克反应堆的巨大规模和复杂性让许多科学家怀疑，它们能否以具有竞争力的成本生产能源。但与许多政府项目一样，在核聚变项目内部，由于资金的分配方式，存在着对大型项目的政治偏见。国会支持由企业赞助的大型项目，这些项目能创造大量就业机会。小项目缺乏这样的政治支持。

希望值（80）

资金及扶持力度：目前募集资金700多万美元，无政府投资（好可怜），受制于小型项目的天然劣势，它可能一直就得是小众的。

技术：我带有一定的个人偏好，这不就是传说中的钢铁侠胸口的聚变电池吗，从描述上来看，这种由钨电极发起的聚变过程貌似那么的充满随机性，可是他们却对整个聚变过程建立了定量的数学模型，真的挺黑科技的。

如果聚变过程正如他们所说能够达到氢硼聚变的严苛条件，真的是足够好和足够靠谱的技术，别忘了他们最初是为了研究空间推进技术而发起的研究项目，装置结构足够简洁和紧凑（注意看一下前面的模拟图与人的对比），灵活性极高，主要的应用还是偏向于小型聚变电站。根据官网的研究报告，2016年，改进设计的纯钨电极被集成到FF-1中，为聚变装置实现50%的聚变产量和世界纪录的离子能量。

进度：2019年开始将纯钨电极升级为铍电极，由于其技术优势，虽然处于实验阶段，但与示范电站间并无明显鸿沟。

在项目推进及示范电站、商业电站方面有明确的时间表，2023年造出第一台5000KW原型电站。

非主流派就介绍到这里，类似的项目最近也有消息，但技术实现方式大致相同。

结束语：思路决定出路、方向比努力更重要，包括且不仅限于上述私有企业在内的非主流力量在推动核聚变走向商用方面具有原生的动力，在达成商业化目标方面显得更为活跃和不容小觑，事实上，历史上每一次原始推动科学和技术变革的正是大胆、独特的思维，虽然我们不否认金钱和权力在其后的加速作用。作为吃瓜群众的我们真的希望在有生之年能够邂逅更多大胆的实践，诸如曲速引擎、冷核聚变、真空零点能等等超越常规，见证这样的奇迹发生不是你所期盼的吗。