“三阿爾法聚變發(fā)電”，是氫和硼(燃料)核子在磁約束的等離子體內碰撞聚合產(chǎn)生三個α粒子發(fā)電。不(或很少)產(chǎn)生中子，所以沒有(或很少)顯著的放射性產(chǎn)物;靠電磁，無需另外的傳熱介質(蒸汽)旋轉汽輪機等設備，所以簡單;按投入的燃料質量計，聚變釋放的能量與鈾-235裂變反應相近;燃料幾乎是無限的，發(fā)電效率超過80%，致使電力成本比燃煤發(fā)電還低——好得簡直令人“難以置信”。但所依據(jù)的B (p α)αα反應早在1936年就觀察、計算過了，現(xiàn)在是“頓悟”……

《科學》雜志新聞副編輯丹尼爾·克利里(Daniel Clery)8月24日從美國加州福特希爾牧場發(fā)回報道[1]：在洛杉磯南部郊外工業(yè)園區(qū)內，科學家的受控核聚變在提供豐富、便宜而清潔能源的進程中前進了一大步。一個得到私人資助、名為三阿爾法能源(Tri Alpha Energy)的公司建造的機器，構建的約1000萬℃的超熱氣球，持續(xù)穩(wěn)定5毫秒沒有衰減。似乎只是眨眼之間，但比用這種技術的其他研究“成就”長很多;而且首次展示有可能使氣體保持穩(wěn)態(tài)，只因當時用光了“燃料”，研究人員才關機。

1976年諾貝爾物理獎獲得者、加州帕洛阿爾托市斯坦福大學粒子物理學家、三阿爾法能源公司顧問委員會成員伯頓·里克特(Burton Richter)說，“他們僅僅借助可用的電力系統(tǒng)，終于實現(xiàn)在有限一生的目標中獲得成功。”如果這個公司的科學家能按比例放大這種技術到更長時間和更高溫度，他們就能上一個臺階，使氣體內的原子核碰撞激烈到足以熔合在一起，釋放出能量超過系統(tǒng)輸入的能量。

三阿爾法能源公司“碰撞束聚變堆”(CBFR)外型素描(2X100MWe)。

競爭對手、圣地亞哥聚變創(chuàng)業(yè)能源/物質轉化公司的潔蓉·帕克(Jaeyoung Park)說，“除非學會控制并馴服這種[熱氣體]，否則不會有什么成效。在這方面，它是個大難題。他們似乎找到了馴服它的辦法”。“下個問題是如何才能適當?shù)丶s束“氣體的熱”。我給他們‘疑罪從無’的判斷[2]。我想看他們未來2-3年。”

雖然其他創(chuàng)業(yè)公司也嘗試利用類似的方法實現(xiàn)“受控聚變”，在這個領域最重要的成就是政府資助的大型工程，如靠國際合作、在法國南部在建的200億美元的國際熱核實驗堆(ITER)和美國能源部在加州利弗莫爾的40億美元的國家點火裝置(NIF)。但是，這種項目的成本快速增長，復雜性引起許多懷疑。它們永遠不會成為“成本負擔得起”的電廠。

三阿爾法和類似公司的成就采取了不同的路徑，承諾能更快地開發(fā)出更簡單、更便宜的機器。重要的是，與大多數(shù)另外的聚變堆相比，三阿爾法的機器或許能用不同的燃料運行。這種燃料--氫和硼的混合物--更難起反應。但三阿爾法的研究人員說，它避開了許多常規(guī)聚變電廠很可能面對的問題?？的螤柎髮W等離子體物理學家、三阿爾法公司顧問大衛(wèi)·哈默(David Hammer)說，“他們取得的進展使人們相信，他們能使“氫-硼”反應堆成功地運轉”。

但是，沒有參與這個項目的新澤西州普林斯頓等離子體物理實驗室等離子體物理學家喬恩·梅納德(Jon Menard)說，燃燒氫-硼燃料要求真正的“極高溫”，超過30億℃，而且“極具挑戰(zhàn)性”。他說，很難預測在更高的溫度下，氣體會有怎樣的行為表現(xiàn)。“我有點擔心他們的‘模擬實驗’落后于他們的經(jīng)驗”，但這種方法“值得進一步調查研究。”

與其他聚變技術類似，三阿爾法的裝置擬約束的氣體如此之熱，其原子的電子被剝離，生成一股洶涌的電子和離子混合物急流，名為等離子體。如果離子以足夠的力量相碰撞，它們聚合，某些質量轉化為能量。但用常規(guī)燃料，至少需要1億℃的溫度，熱到足以熔化任何容器。所以反應堆設計師的第一個挑戰(zhàn)是如何約束等離子體，不與容器接觸。像NIF之類等離子體快速內爆的裝置，依靠其內向慣性約束時間長到足夠引起一陣聚變反應。與此相反，ITER用名為“托克馬克”的環(huán)形室內強大的磁場控制等離子體穩(wěn)定。某些磁場靠復雜的超導磁體網(wǎng)絡，剩余部分靠類似電流繞環(huán)形磁場流動的等離子體本身。

三阿爾法的機器也生成等離子體環(huán)狀真空腔(類似“煙圈”)，但腔內的等離子體粒子流生成的磁場使等離子體保持穩(wěn)定。這種方法稱為“場反位形”(FRC，field-reversed configuration)[3]，上個世紀60年代已熟知。然而，盡管做了幾十年的工作，研究人員獲得等離子體氣泡破碎或熔化前大約只維持0.3毫秒。1997年，加拿大出生、加州大學歐文分校物理學家諾曼·羅斯托克(Norman Rostoker)和同事們提出了新方法。第二年他們設立了三阿爾法公司，現(xiàn)立足這樣一個平常而且沒有標識的工業(yè)單位內。從桌面設備裝配起，到去年，這個公司雇用150人，用C-2做研究。這是個23米長磁鐵環(huán)繞的真空管，布滿控制裝置、診斷儀器和粒子束發(fā)生器。這個機器在兩端生成煙圈似的等離子體環(huán)，靠專有的方法使每個煙圈首尾相接，并以接近每小時一百萬公里的速度在靠近中部相撞擊。在中心，它們融合成更大的FRC，使它們的動能轉化為熱。

聚變堆依賴FRC戰(zhàn)略:一串煙圈形的等離子體與自身的磁場相互制約，

硼-11和質子水平切向注入靠螺旋管磁體環(huán)繞的等離子體煙圈。

原先建立持久FRC的嘗試受到兩個孿生“魔障”的困擾，折磨著所有聚變堆的設計師。首先是等離子體內的湍流使熱粒子抵達邊緣，因而導致“熱逃逸”。其次是不穩(wěn)定：事實在于熱等離子體不喜歡受約束，因而扭動、膨脹，試圖獲得“自由”，最終完全破碎。理論家羅斯托克曾在許多物理分支機構做研究，包括粒子物理，他相信解決方案潛藏在高速粒子點火切線進入等離子體的邊緣處。相對于“原生粒子”，快速運動的進入粒子會沿著等離子體磁場內更寬的軌道運動。這種寬軌道將充當保護“殼”，使等離子體變“硬”，防止熱泄漏擾動和不穩(wěn)定。

為使機器正常工作，三阿爾法團隊需要精確控制長3米、寬40厘米的雪茄型FRC邊緣的磁性條件。他們借助長管兩端的電極和磁體生成磁場反射等離子體，達到了目的。

在去年進行的實驗中，C-2展示物理學家羅斯托克的“路子”走對了，生成的FRC持續(xù)了5毫秒，比早先實現(xiàn)的“持續(xù)時間”長10倍多。哈默說，“8年內，他們從一個空房間到一個FRC持續(xù)5毫秒。這是相當不錯的進步”。但是，這個FRC仍然在這段時間衰減了。研究人員需要展示他們能用粒子束補充熱損失，并建立穩(wěn)定的FRC。因此，去年秋天，他們拆掉了C-2裝置。他們與俄羅斯新西伯利亞的布德克爾(Budker)核物理研究所合作[4]，更新了粒子束注入系統(tǒng)，功率從2MW提升到10MW，調整了粒子束的注入角度，以便更好地利用它們的電源。

今年三月，升級的C-2U再投入運行。8月24日紀念羅斯托克(去年12月去世)座談會上，三阿爾法首席技術官米希爾·本德鮑爾(Michl Binderbauer)宣布，6月新機器生成的FRC持續(xù)5毫秒，沒有衰減的跡象;從始至終保持同樣的尺寸。

加州大學歐文分校物理學家、三阿爾法能源公司創(chuàng)始人之一諾曼·羅斯托克

(Norman Rostoker, 1925.8-2014.12)

本德鮑爾說，明年他們將再次拆掉C-2U再建造一個幾乎全新的機器。更大，甚至有更強的粒子束，稱為C-2W。目的是實現(xiàn)更長的FRC，更重要的是溫度更高。溫度上升10倍將會把他們帶入常規(guī)聚變燃料即氫同位素氘和氚混合物被稱為D-T點火的領域。但那不是他們的目標;取而代之，他們正在研究氫-硼聚變更高的限制，要求離子溫度達30億℃以上。

研究人員有各種理由想要走完“額外一英公里”。首先是地球上氚不會自然出現(xiàn)，必須用中子轟擊鋰產(chǎn)生。物理學家計劃在聚變堆內生產(chǎn)每天要消耗的氚，但沒有人證明這樣的過程是否切實可行。因為D-T反應還產(chǎn)生大量高能中子，這樣反應堆需要很厚的屏蔽。但中子仍然使反應堆結構退化，使之成為放射性的。研究人員還不知是否有可能找到抗輻射材料，能在中子轟擊下幸存。許多人認為這使D-T聚變對商用堆不切實際。里克特博士說，“如果要研究D-T系統(tǒng)，我不會在‘三阿爾法顧問’委員會里耗費10年。”

最初并不認為氫-硼聚變有多大“前景”。本德鮑爾說，“這要花費30倍的能源進行‘烹調’，而且每個粒子只得到一半的能量。”但硼很豐富，而且這個反應不產(chǎn)生中子，只有三個阿爾法(氦核)——后來成了公司的名字。里克特博士說，氫-硼燃料“使電力轉化更容易、更簡單”。

公司有個投資人(不愿透露姓名)說，“從我們開始投資以來，第一次有這樣的突破性的進展，使人感覺好像這個石頭正開始滾下坡，而不是在往上推。”

在美國，正在研究、追求“無中子聚變”而且小有“名氣”的創(chuàng)業(yè)公司，是新澤西州的勞倫斯維爾等離子體物理公司(LLP)[5]。據(jù)稱它所采用的“聚焦聚變”(Focus Fusion)技術，部分愿景是個小型、車庫大小的5MW的聚變裝置，可給“街坊鄰居”們供電。目前的成就是：“無中子聚變”凈能量生產(chǎn)“三準則”(受控等離子體溫度、約束時間和密度的乘積)中已實現(xiàn)了兩個(等離子體的溫度18億℃，約束時間幾十納秒)。LPP首席科學家埃里克 勒納(Eric Lerner)說，“我們在微小熱區(qū)內獲得凈能量足夠的(等離子體)密度”方面，差距仍然很大。即使達到足夠的等離子體密度后，商業(yè)聚變還需要大約4年時間……

理論很“豐滿”，但現(xiàn)實有點“骨感”。實現(xiàn)三個α粒子聚變發(fā)電，似乎還有很長(10年?)的“路”要走。但中國和世界的等離子物理與受控熱核反應研究領域的科學家正在努力，或許不需要那么長的時間就會有驕人的成就。讓我們“拭目以待”。

勞倫斯維爾等離子體物理的“無中子”聚變不需要汽輪機。它經(jīng)X射線和離子束直接發(fā)電。

(Image: LPP Fusion)

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)用語，或譯作“無罪推定”。

3. FRC, field-reversed configuration, 詳見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