核聚变的两个不可能三角。在决定人类终极命运的超级大工程之下,人们在想什么?第一个不可能三角是技术上的。第二个不可能三角是工程上的。

  聚变可以看成是“两个半”的关键路线。一种是磁约束MCF。它采用约束等离子体,来形成原子级的碰撞反应。这主要包括了托卡马克、场反构型FRC、仿星器。第二种则是惯性约束 ICF。它不依靠磁场,往往通过激光聚变的方式。激光从四面八方猛轰靶丸,等离子体瞬间压缩到超高压超高密。在这些离子还没来得及炸开飞散之前,已经完成了聚变反应。主要包括了NIF激光聚变和重离子束聚变。而Z 箍缩则介于二者的分类之间。

  所有路线都必须面对劳逊判据(Lawson Criterion)的技术不可能三角。等离子体密度、温度和约束时间这三者的乘积,需要达到点火阈值。

  托卡马克选择了“时间至上”的“长时指针”,将等离子通过磁流体环形通道的时长拉长到秒级。在保持一亿度的温度下,就可以降低等离子体的密度。然而等离子体穿行过程中所经过的“磁笼”,一直处于高度的不稳定态,很容易在空间中失去阵型。这些暴躁的高热流高能粒子随时会直接轰击真空室内壁的第一壁。内壁就像大河堤岸要应对狂暴河流的冲击一样,在每一次冲击中受到侵蚀,耐受度在5000度的钨合金材料就会逐渐被烧蚀材料甚至可能停机损毁。

  激光聚变则采用了“密度至上”的原则。激光聚变是要把氘氚的靶丸,瞬间压缩到固态密度的上千倍。而聚变时间则压缩到纳秒级(10-9)。

  如此短的时间,超高密的高温粒子的能量还没来得及让氘氚形成自持,就可能先行跑掉了。因此,球面内爆压缩越是对称,离子越不容易提前畸变炸开。而在靶丸外面有材料黑腔,像临时 “高压锅外壳”,短暂挡住等离子体向外膨胀。这样就能给聚变反应多抢一点点纳秒时间窗口,形成自加热。

  而跟托卡马克同属于磁约束的场反构型FRC,则在密度和时间做了一个折中。等离子体密度比托卡马克要高,而时间则要更短到微秒级(10-6秒)。

  就约束时间而言, FRC是微秒级,激光聚变则达到纳秒级。 而托卡马克的秒级。

  就工程而言,任何一个聚变反应堆,都需要满足稳定性、可制造性和输出功率的工程不可能三角。

  稳定性要高(不能炸堆的连续运行),工程结构极简(容易制造和维护),同时输出功率大(能当基荷电站)。全球近50 家聚变企业,都在这个“不可能三角”上来回游动。

  托卡马克(Tokamak)占了 1 和 3,但却牺牲了 2。这使得它的工程建造极其复杂。但全球近180个聚变堆,70%都是托卡马克。物理确定性最高,但对于真空室第一壁的要求很高。

  采用什么材料来做磁体,也是区分国家队和民营队的关键。

  中国国家队的聚变新能和中国聚变,都采用了低温超导的主流装置。

  上海能量奇点。也是采用了超温高导材料。美国核聚变融资20亿美元明星CFS,则采用 “高温超导”来缩小体积。英国有 Tokamak Energy采用球形托卡马克提高比压,并与高温超导融合者。国内的河北新奥和上海星环聚变都采用了这种路线。

  同样采用磁约束机制的是稳态仿星器 (Stellarator)、它的好处是等离子磁笼电流不容易破裂。

  与托卡马克的甜甜圈的磁圆环不同,仿星器是麻花状的三维螺旋扭曲形状。这种三维扭曲的磁体制造,极大提高了制造难度。如德国仿星器先驱Proxima和上海岩超聚能。法国Renaissance Fusion也采用了仿星器路线,主攻液态金属内墙与简化磁体工艺。

  “场反构型”技术路线在美国也非常走俏。这种结构非常简洁性,减少了昂贵复杂的外部磁体。

  成立1998年的TAE是公认的全球领导者,也是融资超过13亿美元的资本明星。TAE 已决定跳过原计划的第六代验证装置“哥白尼”,直接着手开发首座商用聚变电站“达·芬奇”,目标是在2030年代初实现50万千瓦的商业化发电。它最惊人的消息是2025年底,宣布与特朗普媒体上市公司进行合并。果真如此,TAE也将是第一家核聚变上市公司。

  同样是 “场反构型”技术路线的美国Helion公司,速度跑的更快。它采用脉冲的方式,已经跟微软签订协议,预计在2028开始供电。果真如此,这将是全球第一家商业化核聚变公司。

  就惯性约束而言,它选择了3也就是极致功率,而牺牲了1稳定性和2 制造性。惯性约束的激光聚变是当前实验室里唯一实现能量净增益(Q>1,输出能量大于输入能量)的方式。

  它的运行方式并不稳定(脉冲爆炸),工程系统也很复杂(仅次于托卡马克的庞大激光器),从而获得极致的明。2022年美国国家点火装置(NIF)的成功,证明了惯性约束的可能性。

  然而,它牺牲了商业电站最看重的两项。稳定性比较差,工程系统复杂而昂贵。它的卡点在于“靶丸”的高频连续制造与激光器的重频效率。例如美国的Xcimer和First Light。First Light Fusion - 独创射弹冲击聚变路线,通过高速弹丸撞击靶丸产生压力。惯性约束在物理上是最先实现“点火”的路径。

  Z-箍缩的结构呈直线圆柱体,易于模块化更换和维护。它占据工程优势,相对容易制造。然而,牺牲了 1 ((极难稳定)和 3(单机功率小)。

  目前北京诺瓦(彭先觉院士团队)正在推动这一方向。美国Zap Energy也采用这种路线,追求极低成本与极简结构。

  实际上,不同技术路线也有不同商业方向。托卡马克/仿星器主打“大电网基荷”,而FRC 则面向“城市/工业局域微电网”。微型Z-箍缩则可以面向“深空与特种动力”。另类的厂家如Avalanche Energy。这是一种静电约束的微型堆,主打“鞋盒大小”的便携式电源。而无论是美国Helicity Space采用磁惯性约束推进器,还是英国的Pulsar Fusion的场反构型,都是主攻航天发动机和星际航行。

  每一种技术路线,都有错位竞争的生态位,摇曳多姿。谁也说不清楚方向,但谁都生机勃勃。资本正在疯狂涌入。

  不同的技术路线,展现了人们面对终极能源选择,所经历的百花齐放的一刻。人类迎来最放松的做梦时刻,只有做梦就会有疯狂的资本涌入。一切乱梦,一切未知,一切可期。