核聚變的開發者們在2021年從比爾·蓋茨和杰夫·貝索斯等億萬富豪那里籌集了超過30億美元，并且他們堅持認為，這種零碳能源可能在十年內成為現實。

很明顯，大規模的核聚變是可行的——只要看看天上的星星就知道了。70年來，物理學家們一直夢想著以核聚變反應堆的形式將恒星的能量裝瓶，用使太陽發光的核聚變反應為電網供電，因為它不僅是零碳排放，而且還是無限量的。長期以來，人們一直宣稱這種終極能源離我們只有二三十年的時間，而核聚變的粉絲們也一直拒絕放棄他們的信仰——他們的確很有理由這么做。核聚變(將氫原子碰撞成氦)理論上可以無限量地提供零碳電力，并且沒有熔毀的風險，也幾乎不會產生與現有依靠核裂變(將鈾原子分裂成更小的元素)運行的核電站類似的放射性廢料。

這個夢想激勵了Mithril Capital的聯合創始人Ajay Royan(另一位聯合創始人是億萬富豪Peter Thiel)，他在2013年首次向總部位于華盛頓州雷德蒙德市的Helion Energy公司投資了200萬美元，使它可以建造一個“重復脈沖電源”的原型機。從那以后，Mithril就一直在投資Helion，包括最近一輪的5億美元(該輪投資對該公司的估值是30億美元)——如果該公司的第七款原型能夠如預期般工作，Mithril承諾再投資17億美元。Helion的這輪融資由Y Combinator的Sam Altman牽頭。

對于核聚變的融資和預測來說，2021年都是一個重要的年份，因為開發人員在這一年里籌集了超過30億美元來資助他們研發下一輪原型機——其中一些有望在五年內實現可行的商業化。Royan很高興看到核聚變得到更多的關注;“根據谷歌的分析，2021年可能是核聚變的轉折點，但真正的轉折點發生在10年前，當時的電力電子學邁過了一個門檻。”

Helion首席執行官David Kirtley解釋說，Helion最初的研發工作是在美聯邦實驗室完成的，2013年，Helion就是在聯邦實驗室中成立的。從聯邦研發部門的束縛中解放出來后，Helion一直在制造一個又一個新的原型機。“初創企業的心態并不輕松，這是一種要求，也是我們從一開始就關注的，”Kirtley說。

2020年，Helion完成了其第六個原型反應堆的建設，名為Trenta。它現在正在建造第七座反應堆“北極星”(Polaris)，以及同時在設計第八座反應堆“心宿二”(Antares)。Helion打算讓“北極星”成為第一個產生凈電能的聚變機器——即讓它產生比它吸收的更多的能量。除了快速迭代，Helion的進展還受益于當地的專業人才儲備。它正在華盛頓州的埃弗雷特(Everett)建造“北極星”，那里有一個由簽約工程師和精密制造商組成的友好生態系統供他們使用。Kirtley說，他們早上都在修修補補，更新系統，給電容器充電。“每天下午3點，我們就開始做核聚變反應。”

Helion聯合創始人Chris Pihl(左)和David Kirtley在實驗室里。圖片來源：HELION/CORY PARRIS

要理解Helion的運作方法，首先要想一想當你試圖強迫兩個棒磁鐵的正極靠在一起時發生的磁斥力。正是這一原理使得“磁懸浮”技術得以實現，比如日本著名的子彈頭列車，它就是利用磁性斥力讓車身懸浮在一層空氣墊上。

幾十年來，核聚變研究人員一直在尋求設計世界上最強的電磁鐵，并利用這種電磁鐵設計出具有強大磁場的反應室，可以容納并壓縮注入的帶正電的質子流到一個等離子體球中，這個等離子體球的溫度非常高，以至于它可以讓質子聚變成氦。

在Helion的新系統中，核聚變反應中釋放的能量不斷向外推，以對抗它的磁場，而磁場又會向后推——導致振蕩(“就像活塞一樣”，Kirtley說)，從而產生電流，而Helion就會直接從反應堆中捕捉到這些電流。(欲知詳情，請閱讀法拉第感應定律)。

Helion的核聚變“引擎”的效果圖。圖片來源：HELION

Mithril的Royan說，Helion的發電方法的最大吸引力在于它的簡單性。其他核聚變方法的目的是產生熱量，使水沸騰并驅動汽輪機發電——就像傳統的核電站一樣。“但我們可以在沒有蒸汽渦輪機或冷卻塔的情況下做到這一點。我們不需要再建造一座發電廠。”

與此同時，Kirtley也理解一些人對核聚變發電所持的懷疑態度，特別是圍繞他激進的時間表。20世紀60年代，一些美國國家實驗室的科學家甚至在晶體管發明之前就在磁阻方面取得了重大進展(他們在與俄羅斯科學家競爭的過程中設計出了名為托卡馬克(tokamak)的甜甜圈形狀的反應堆)，這啟發了他在聚變領域開始了自己的職業生涯。但是，在確定早期的方法無法快速發展到產生一個商業化的解決方案之后，Kirtley失去了信心，于是他轉而開始研究利用電磁體控制的等離子噴射器推進先進的飛船。2008年，他回到了這個領域，幫助Helion公司的技術實現商業化。

隨著時間的推移，他設想在一家工廠里制造核聚變發電機。一個50兆瓦規模的系統，包裝成三個集裝箱大小的單元，可以為4萬個家庭供電。“10年后，我們肯定會有商業電力可以出售。”

這使得Helion與總部位于波士頓的Commonwealth Fusion Systems公司展開了競爭，后者是麻省理工學院(MIT)的衍生公司，它從比爾•蓋茨(Bill Gates)和喬治•索羅斯(George Soros)等投資者那里籌集了18億美元。該公司的首席執行官Bob Mumgaard表示，他們將在6年內建成一個可用的反應堆。Commonwealth在夏季成功測試了用稀土鋇銅氧化物制成的超導體設計的新型電磁鐵，這進一步支持了他的樂觀預期。

Mumgaard說，這些超級磁鐵將使Commonwealth能夠完善他們的傳統聚變方法，即建造一個面包圈形狀的“托卡馬克”反應堆，Mumgaard稱之為“大磁瓶”，其中強大的磁場控制著1億度的等離子球體——“組成恒星的物質”。

全世界大約有150個“托卡馬克”反應堆，其中最大的一個正由一個名為ITER的國際財團花費300億美元在法國建造。這臺反應堆重達2萬噸，有一個籃球場大小，預計將在2035年完工。

但是Mumgaard打算讓Commonwealth Fusion在ITER完成建造之前就淘汰掉它。他們的優勢在于用稀土鋇銅氧化物(又名ReBCO)制成的“高溫”超導體的應用。

超導體可以幾乎零損耗地傳輸電流(它比銅的傳輸效率高得多)。它們是制造強大電磁鐵的關鍵。Commonwealth公司發現，通過使用一種特殊的鋇氧化銅磁帶(就像VHS錄像帶中的磁帶)來制造磁鐵，就可以實現比ITER預期的更強大的磁場，但體量只有后者的1/20。

ITER的主磁鐵(稱為螺線管)將重約400噸，實現的磁場強度將超過12特斯拉，而Commonwealth的目標是使用15噸的磁鐵，每個磁鐵使用300公里的ReBCO薄膜膠帶，使之產生20特斯拉的磁場(作為比較，磁共振成像機產生的磁場強度是1.5特斯拉)。

“這解開了核聚變機器的密碼鎖，”Mumgaard說。Commonwealth在去年夏天測試了這些磁鐵，并宣稱它“證明”了核聚變科學現在幾乎已經完成，剩下的就是建造反應堆了。“我們很了解這種材料，并認為我們可以在三年內做到這一點，”Mumgaard說。“到2030年，我們將在電網中看到核聚變產生的電能。”

Commonwealth計劃在馬薩諸塞州的一個47英畝的場地上建造其核聚變樣機，并已經在努力采購數千公里長的ReBCO膠帶。稀土的供應是否會成為核聚變推廣的一個限制因素?Mumgaard說，不會。“一家核聚變工廠需要的稀土將比風力渦輪機更少。核聚變的重點并不在于你需要挖掘或抽取的資源，而是在于你采取的技術。”

核聚變領域的贏家應該不止一個。其他該領域的領軍企業包括總部位于加拿大、得到杰夫·貝索斯支持的General Fusion，該公司今年籌集了1.3億美元。在該領域，其他引人注意的億萬富豪還有Neal和Linden Blue，他們擁有總部位于圣地亞哥的General Atomics公司，該公司幾十年來一直代表美國能源部在運營一個研究用途的托卡馬克反應堆，并且該公司今年向ITER交付了托卡馬克電磁鐵的核心組件——一個重達1,000噸的中央電磁鐵。還有加利福尼亞的TAE能源公司，在過去的十年里，他們一直用10億美元的資金在進行核聚變實驗，并在疫情期間籌集了1.3億美元。

核聚變技術可能是起步于政府資助的實驗室，但它的成果將不得不依賴私人資金。Amy Roma是華盛頓特區Hogan Lovells公司的合伙人，她說，最近通過的聯邦基礎設施法案確實包括資助一個先進的核反應堆示范項目，但是這個項目只幫助核裂變項目，而不是核聚變項目。Roma建議，如果聯邦政府確實想要支持核聚變的發展，一個很好的途徑是通過該法案在能源部內新設立的“清潔能源示范辦公室”。核聚變產生的零碳能源也將受益于拜登總統最近的行政命令，該命令要求聯邦政府的能源采購到2030年達到“凈零碳排放”。

傳奇科技投資者Steve Jurvetson是聯邦核聚變項目的支持者，他早在25年前就第一次為核聚變研究開出了支票，而現在這個長期被推遲的夢想可能很快就會成為現實令他感到興奮不已。“它在實現之前會有很多反對者，在它實現以后，他們又會說它的成功是顯而易見的。”

Mithril的Royan說，他已經在努力調整他的框架，以考慮當核聚變成為現實時，世界將會是怎樣的不同——“想想它給水的脫鹽和化肥生產帶來的機會吧。這將在一夜之間從根本上改變水經濟，進而改變農業經濟，”他說。“人類發展道路的一部分就是不斷證明馬爾薩斯是個白癡。”(馬爾薩斯是18世紀的英國經濟學家，曾經提出了著名的“馬爾薩斯人口論”。)

譯 Vivian 校 李永強