另辟蹊径的核科学先驱：没有大制作一样核聚变

在北美、欧洲和其他地区，由私人基金或*-私人混合基金支持的科学家和工程师团队正在探索核聚变的新方法。

通用核聚变公司的反应堆使用巨大的活塞来挤压聚变燃料。资料来源:于贝尔·康

聚变能源研究领域正在发生一些奇怪的事件。创业精神、不同意见和创业精神爆发了。在一个可以被概括为“大科学”最坏情况的领域——缓慢的进展、高昂的价格和繁重的设计，一些人最终说“够了”，并开始寻找另一条出路。

在北美、欧洲和其他地区，由私人基金或*-私人混合基金支持的科学家和工程师团队正在探索核聚变的新方法。他们不仅在做研究:他们计划建造经济上可行的动力反应堆，这比公共资助的研究更简单、更便宜，他们希望更快地实现他们的目标。

追求净收益

为什么会这样？为什么是现在？60多年来，研究人员一直试图复制太阳的热源——融合原子释放锁定在原子核中的能量，而反应堆已经从桌面上的小玩意演变成价值数十亿美元的庞然大物。国际热核实验反应堆(ITER)，一个首次致力于实现净能源收益的多国设备，建成后将耗资200亿美元，重23000吨，是法国埃菲尔铁塔重量的三倍。使用不同核聚变技术的美国国家点火设施(NIF)也有35亿美元的建设资金。

ITER和NIF都努力实现比能源消耗更高的反应堆容量。这是一个大问题，因为聚变反应堆需要大量的能量来运行:燃料需要加热并保持在1.5亿摄氏度左右。理论上，一旦反应堆被打开，它会自动加热，但是没有人能够实现这个目标。几年前，NIF计划实现这样的“火”核聚变燃烧，但迄今为止，它仍远未实现其目标。另一方面，ITER在2027年之前不会进行点火实验。

与此同时，建造这些设施的巨大成本阻碍了独立的核聚变项目。一些研究人员认为这样的结果是不可避免的，因为ITER和NIF在技术上把核聚变推到了极致。ITER计划尽可能长时间地控制磁场中燃烧的等离子体。NIF的策略是用激光轰击核聚变燃料，并将其挤压到可能的最大密度。达到这些极端条件需要复杂的技术、高成本和巨大的规模。

相比之下，核聚变技术中的黑马侧重于极端条件之间的联系。尽管这项技术科学合理，不像“臭名昭著”的低温核聚变，但它的发展受到时间和资金的限制。

但是核聚变是一个极其复杂的问题，涉及高能粒子、高温和高压。为了获得成功，人们需要准确的判断、新材料和复杂的计算机模拟。但是谁会疯狂到试图建造一个聚变反应堆呢？

蒸汽朋克解决方案

米歇尔·拉贝热很无聊。2001年，他将近40岁。在过去的10年里，他为加拿大克里奥公司(现在是柯达公司的一部分)设计了一台激光打印机。他一直试图“使机器更快更便宜”。是做更多事情的时候了。在他职业生涯的开始，他在加拿大不列颠哥伦比亚大学、法国巴黎理工学院和加拿大国家研究委员会研究了用激光刺激核聚变反应的可能性。

拉伯格知道一个成功的核聚变反应堆会给地球带来什么。因此，他卖掉了克里奥公司的股份，辞去了工作，开始建*应堆。

在浏览文献时，Laberge偶然发现了LINUS，它是海军研究实验室在20世纪70年代的一个项目，是融合磁化目标的早期尝试。LINUS项目旨在将核聚变燃料制成等离子体磁化球，并在液态金属外壳中点燃它们。一旦金属外壳和等离子体就位，气动活塞将撞击金属外壳，压缩和内爆等离子体，以提高其温度和密度。1980年，LINUS项目关闭。但是拉伯格认为这是一个伟大的计划。他提到这个项目的失败是由于20世纪70年代技术的无能。

拉贝热说服了几名前克里奥同事投资，并利用加拿大*的小额补贴，制造了一种利用电脉冲来模拟活塞动作的台式设备。这足以产生一些中子，这是核聚变反应正在发生的信号。2002年，Laberge和他的同事成立了“通用融合”公司，目前有60多名员工。

自2009年以来，他们已经获得了6200万加元。用这些钱，他们建造了一个巨大的机器海胆，看起来像是直接从蒸汽朋克中出来的东西。直径约1米的球形钢制反应室是14个大炮大小的气动活塞，向各个方向突出。它的工作方式听起来有点特别。

首先，研究人员搅动反应室周围的熔融铅，形成一个中间有缝隙的漩涡。在空隙中，他们点燃了聚变燃料“紧凑型环形线圈”。然后，活塞以每秒50米的速度撞击，猛烈地撞击反应室壁上的插件，使冲击波穿过熔化的铅。冲击波把燃料挤压到极高的温度和压力，然后爆炸了！理论上发生了一次小型核聚变爆炸。

现有设备无法实现核聚变；它刚刚实现了压缩系统。"我们正在测试密封、泵送和冲击波来了解这项技术."拉贝吉说。此外，研究人员还在研究一种注射器，一种等离子枪，用来制造燃料球并将其注入压缩机。

在所有这些努力中，他们遇到了许多困难:活塞破裂、携带铅液滴的冲击波以及等离子体冷却过快或过低的密度。但是他们没有撤退。"我们正与投资者接触。"通用汽车公司负责战略和企业发展的副总裁迈克尔·德拉吉说。

科普作家之歌

埃里克·勒纳不太可能是核聚变科学家。他中止了物理研究生课程，转而成为一名成功的科普作家。1991年，他出版了一本有争议的书《大爆炸从未发生》，书中他描述了一个不是由重力和量子力学控制，而是由等离子体物理控制的宇宙。

事实上，勒纳已经开始对核聚变装置进行独立研究，并注意到了一个所谓的稠密等离子体焦点(DPF)，这是俄国在20世纪50年代发明的。DPF制造了一个紧凑的环形聚变燃料线圈，然后通过电磁作用将其压缩到非常小的尺寸。

经过10年的研究，勒纳获得了美国宇航局喷气推进实验室的资助，以评估DPF能否用作航天飞机的推进力量。七年后，美国宇航局在花费30万美元后取消了这个项目，所以勒纳开始寻求私人资金。

又过了七年，他筹集了120万美元，足以支持他在新泽西建立自己的实验设施——劳伦斯维尔等离子体物理(LPP)。但生存仍在继续:勒纳在过去五年里从60个不同的投资者那里获得了200万美元。“与其他(私人核聚变)项目相比，我们在技术上是最先进的，但也是最便宜的。”他说。

相比之下，勒纳的设备看起来像一个玩具，因为通用核聚变公司的充气约翰逊。后者的核心是两个圆柱形电极，一个在另一个里面。外部电极的直径只有18厘米，整个装置被密封在一个充满分散气体的管子里。从外电极到内电极的巨大电脉冲产生了等离子体环形壳。然后，电流产生的磁场将等离子环挤压成一个微小而致密的等离子球。

坍塌的磁场感应出一个电场，驱动电子束穿过等离子体，并将其加热到上亿度的高温。如果一切按计划进行，等离子球将获得足够高的温度和密度来产生核聚变反应。

勒纳说，该设备可以达到必要的温度，但很难获得必要的粒子密度。问题是电极会蒸发铜原子并污染等离子体。不久前，LPP获得了一套新的钨电极，并通过众筹筹集了20万美元。"我确信新电极将从根本上减少杂质，并将密度提高100倍."勒纳说。(张张)

《中国科学日报》(2014年7月30日，第三版国际版)

阅读更多

科学相关报道