读书笔记：三阿尔法聚变发电研究的新“突破”

“三阿尔法聚变发电”，是氢和硼（燃料）核子在磁约束的等离子体内碰撞聚合产生三个α粒子发电。不（或很少）产生中子，所以没有（或很少）显著的放射性产物；靠电磁，无需另外的传热介质（蒸汽）旋转汽轮机等设备，所以简单；按投入的燃料质量计，聚变释放的能量与铀－235裂变反应相近；燃料几乎是无限的，发电效率超过80％，致使电力成本比燃煤发电还低－－好得简直令人“难以置信”。但所依据的B（p　α）αα反应早在1936年就观察、计算过了，现在是“顿悟”…

《科学》杂志新闻副编辑丹尼尔·克利里（Daniel Clery）8月24日从美国加州福特希尔牧场发回报道［1］：在洛杉矶南部郊外工业园区内，科学家的受控核聚变在提供丰富、便宜而清洁能源的进程中前进了一大步。一个得到私人资助、名为三阿尔法能源（Tri Alpha Energy）的公司建造的机器，构建的约1000万℃的超热气球，持续稳定5毫秒没有衰减。似乎只是眨眼之间，但比用这种技术的其他研究“成就”长很多；而且首次展示有可能使气体保持稳态，只因当时用光了“燃料”，研究人员才关机。

76年诺贝尔物理奖获得者、加州帕洛阿尔托市斯坦福大学粒子物理学家、三阿尔法能源公司顾问委员会成员伯顿　里克特（Burton Richter）说，“他们仅仅借助可用的电力系统，终于在实现有限一生的目标中获得成功。”如果这个公司的科学家能按比例放大这种技术到更长时间和更高温度，他们就能上一个台阶，使气体内的原子核碰撞激烈到足以熔合在一起，释放出能量超过系统输入的能量。

竞争对手、圣地亚哥聚变创业能源／物质转化公司的洁蓉 帕克（Jaeyoung Park）说，“除非学会控制并驯服这种［热气体］，否则不会有什么成效。在这方面，它是个大难题。他们似乎找到了驯服它的办法”。“下个问题是如何才能适当地约束［气体的热］。我给他们‘疑罪从无’的判断［2］。我想看他们未来2－3年。”

虽然其他创业公司也尝试利用类似的方法实现“受控聚变”，在这个领域最重要的成就是政府资助的大型工程，如靠国际合作、在法国南部在建的200亿美元的国际热核实验堆（ITER）和美国能源部在加州利弗莫尔的40亿美元的国家点火装置（NIF）。但是，这种项目的成本快速增长，复杂性引起许多怀疑。它们永远不会成为“成本负担得起”的电厂。

三阿尔法和类似公司的成就采取了不同的路径，承诺能更快地开发出更简单、更便宜的机器。重要的是，与大多数另外的聚变堆相比，三阿尔法的机器或许能用不同的燃料运行。这种燃料－－氢和硼的混合物－－更难起反应。但三阿尔法的研究人员说，它避开了许多常规聚变电厂很可能面对的问题。康奈尔大学等离子体物理学家、三阿尔法公司顾问大卫　哈默（David Hammer）说，“他们取得的进展使人们相信，他们能使［氢－硼］反应堆成功地运转”。

但是，没有参与这个项目的新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室等离子体物理学家乔恩　梅纳德（Jon Menard）说，燃烧氢－硼燃料要求真正的“极高温”，超过30亿℃，而且“极具挑战性”。他说，很难预测在更高的温度下，气体会有怎样的行为表现。“我有点担心他们的［模拟实验］落后于他们的经验”，但这种方法“值得进一步调查研究。”

与其他聚变技术类似，三阿尔法的装置拟约束的气体如此之热，其原子的电子被剥离，生成一股汹涌的电子和离子混合物急流，名为等离子体。如果离子以足够的力量相碰撞，它们聚合，某些质量转化为能量。但用常规燃料，至少需要1亿℃的温度，热到足以熔化任何容器。所以反应堆设计师的第一个挑战是如何约束等离子体，不与容器接触。像NIF之类等离子体快速内爆的装置，依靠其内向惯性约束时间长到足够引起一阵聚变反应。与此相反，ITER用名为“托克马克”的环形室内强大的磁场控制等离子体稳定。某些磁场靠复杂的超导磁体网络，剩余部分靠类似电流绕环形磁场流动的等离子体本身。

三阿尔法的机器也生成等离子体环状真空腔（类似“烟圈”），但腔内的等离子体粒子流生成的磁场使等离子体保持稳定。这种方法称为“场反位形”（FRC，field－reversed configuration）［3］，上个世纪60年代已熟知。然而，尽管做了几十年的工作，研究人员获得等离子体气泡破碎或熔化前大约只维持0.3毫秒。1997年，加拿大出生、加州大学欧文分校物理学家诺曼·罗斯托克（Norman Rostoker）和同事们提出了新方法。第二年他们设立了三阿尔法公司，现立足这儿一个平常而且没有标识的工业单位内。从桌面设备装配起，到去年，这个公司雇用150人，用C－2做研究。这是个23米长磁铁环绕的真空管，布满控制装置、诊断仪器和粒子束发生器。这个机器在两端生成烟圈似的等离子体环，靠专有的方法使每个烟圈首尾相接，并以接近每小时一百万公里的速度在靠近中部相撞击。在中心，它们融合成更大的FRC，使它们的动能转化为热。

原先建立持久FRC的尝试受到两个孪生“魔障”的困扰，折磨着所有聚变堆的设计师。首先是等离子体内的湍流使热粒子抵达边缘，因而导致“热逃逸”。其次是不稳定：事实在于热等离子体不喜欢受约束，因而扭动、膨胀，试图获得“自由”，最终完全破碎。理论家罗斯托克曾在许多物理分支机构做研究，包括粒子物理，他相信解决方案潜藏在高速粒子点火切线进入等离子体的边缘处。相对于“原生粒子”，快速运动的进入粒子会沿着等离子体磁场内更宽的轨道运动。这种宽轨道将充当保护“壳”，使等离子体变“硬”，防止热泄漏扰动和不稳定。

为使机器正常工作，三阿尔法团队需要精确控制长3米、宽40厘米的雪茄型FRC边缘的磁性条件。他们借助长管两端的电极和磁体生成磁场反射等离子体，达到了目的。

在去年进行的实验中，C－2展示物理学家罗斯托克的“路子”走对了，生成的FRC持续了5毫秒，比早先实现的“持续时间”长10倍多。哈默说，“8年内，他们从一个空房间到一个FRC持续5毫秒。这是相当不错的进步”。但是，这个FRC仍然在这段时间衰减了。研究人员需要展示他们能用粒子束补充热损失，并建立稳定的FRC。因此，去年秋天，他们拆掉了C－2装置。他们与俄罗斯新西伯利亚的布德克尔（Budker）核物理研究所合作［4］，更新了粒子束注入系统，功率从2MW提升到10MW，调整了粒子束的注入角度，以便更好地利用它们的电源。

今年三月，升级的C－2U再投入运行。8月24日纪念罗斯托克（去年12月去世）座谈会上，三阿尔法首席技术官米希尔·本德鲍尔（Michl Binderbauer）宣布，6月新机器生成的FRC持续5毫秒，没有衰减的迹象；从始至终保持同样的尺寸。

本德鲍尔说，明年他们将再次拆掉C－2U再建造一个几乎全新的机器。更大，甚至有更强的粒子束，称为C－2W。目的是实现更长的FRC，更重要的是温度更高。温度上升10倍将会把他们带入常规聚变燃料即氢同位素氘和氚混合物被称为D－T点火的领域。但那不是他们的目标；取而代之，他们正在研究氢－硼聚变更高的限制，要求离子温度达30亿℃以上。

研究人员有各种理由想要走完“额外一英公里”。首先是地球上氚不会自然出现，必须用中子轰击锂产生。物理学家计划在聚变堆内生产每天要消耗的氚，但没有人证明这样的过程是否切实可行。因为D－T反应还产生大量高能中子，这样反应堆需要很厚的屏蔽。但中子仍然使反应堆结构退化，使之成为放射性的。研究人员还不知是否有可能找到抗辐射材料，能在中子轰击下幸存。许多人认为这使D－T聚变对商用堆不切实际。里克特博士说，“如果要研究D－T系统，我不会在［三阿尔法顾问］委员会里耗费10年。”

最初并不认为氢－硼聚变有多大“前景”。本德鲍尔说，“这要花费30倍的能源进行烹调，而且每个粒子只得到一半的能量。”但硼很丰富，而且这个反应不产生中子，只有三个阿尔法（氦核）－－后来成了公司的名字。里克特博士说，氢－硼燃料“使电力转化更容易、更简单”。

公司有个投资人（不愿透露姓名）说，“从我们开始投资以来，第一次有这样的突破性的进展，使人感觉好像这个石头正开始滚下坡，而不是在往上推。”

在美国，正在研究、追求“无中子聚变”而且小有“名气”的创业公司，是新泽西州的劳伦斯维尔等离子体物理公司（LLP）［5］。据称它所采用的“聚焦聚变”（Focus Fusion）技术，部分愿景是个小型、车库大小的5MW的聚变装置，可给“街坊邻居”们供电。目前的成就是：“无中子聚变”净能量生产“三准则”（受控等离子体温度、约束时间和密度的乘积）中已实现了两个（等离子体的温度18亿℃，约束时间几十纳秒）。LPP首席科学家埃里克 勒纳（Eric Lerner）说，“我们在微小热区内获得净能量足够的（等离子体）密度”方面，差距仍然很大。即使达到足够的等离子体密度后，商业聚变还需要～4年时间…

理论很“丰满”，但现实有点“骨感”。实现三个α粒子聚变发电，似乎还有很长（10年？）的“路”要走。但中国和世界的等离子物理与受控热核反应研究领域的科学家正在努力，或许不需要那么长的时间就会有骄人的成就。让我们“拭目以待”。

附注：

1。 Daniel Clery，Exclusive：　Secretive fusion company claims reactor breakthrough，Science／AAAS，24 August 2015

2。“the benefit of the doubt”，公文（法律）用语，或译作“无罪推定”。

3。 FRC，field－reversed configuration，详见M。 W。 Binderbauer et al，　A high performance field－reversed configuration，PHYSICS OF PLASMAS 22，056110（2015），published online 15 May 2015

4。 Budker Institute of Nuclear Physics（BINP），is one of the major centres of advanced study of nuclear physics in Russia。 the centre was not involved either with military atomic science or nuclear reactors－instead，its concentration was on high－energy physics（particularly plasma physics）and particle physics。 In 1961 the institute began building VEP－1，the first particle accelerator in the Soviet Union which collided two beams of particles，　just a few month after the ADA collider became operational at the Frascati National Laboratories in Italy in February 1961。 The BINP now employs over 3000 people，　and hosts several research groups and facilities。

5。 Mark Halper，Fusion breakthrough，ZD Net，March 28，2012