長期以來，可控核聚變都是可望而不可即的一個世界性難題。在教科書上，可控核聚變的“五十年”儼然已經(jīng)成為大家判斷可控核聚變進入商業(yè)發(fā)電的一個著名“時間標準”，同時，國際熱核研究堆（ITER）的研發(fā)時間線——2025建成設(shè)備，2035開始D-T實驗，也似乎印證了“50年”的標準的較為可信。但是，就在全世界都聚焦于ITER和中國熱核反應(yīng)研究堆（2018年啟動的國內(nèi)先進研究堆計劃）所使用的托卡馬克設(shè)計時，2021年來自西半球的一個美國私營企業(yè)Helion Energy的一個新聞，在業(yè)界悄然掀起了一絲波瀾。

據(jù)中國電力門戶網(wǎng)站-北極星電力網(wǎng)報道：

https://news.bjx.com.cn/html/20210629/1160957.shtml

北極星核電網(wǎng)訊:美國Helion能源公司（Helion Energy）2021年6月22日宣布，其第六臺原型聚變發(fā)生器Trenta已達到超過1億℃的高溫，成為全球首家實現(xiàn)這一里程碑的私營聚變研究企業(yè)。該公司還宣布，Trenta最近已完成為期16個月的測試，在此期間發(fā)射了近1萬次高功率脈沖。

據(jù)Helion能源稱，其研發(fā)的聚變技術(shù)與其他機構(gòu)研發(fā)的技術(shù)存在三點區(qū)別。第一，Helion能源使用的是脈沖聚變系統(tǒng)，這種系統(tǒng)有助于克服最嚴峻的物理學(xué)挑戰(zhàn)，使聚變裝置的體積小于其他技術(shù)，并能夠根據(jù)需求調(diào)整輸出功率。第二，這一系統(tǒng)可以直接生產(chǎn)電力，而其他聚變系統(tǒng)需要將水加熱成蒸汽，然后使用蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電，這一過程會造成大量能量損失。第三，Helion能源使用氘和氦-3作為燃料，這有助于進一步縮小聚變裝置的體積，并提高效率。

（來源：微信公眾號“中核智庫”編譯自世界核新聞網(wǎng)站? ID：zhzk_cinie? 作者：伍浩松 張焰）

這篇文章雖然篇幅不長，但是其震撼性不可謂不大。首先，Helion Energy是一家私營企業(yè)，并非是國家投入巨資扶持的國營研究工程，但是卻在短短數(shù)年內(nèi)實現(xiàn)了1億攝氏度的節(jié)點指標；其次，根據(jù)8月的報道，該公司已經(jīng)正在建設(shè)第7座實驗反應(yīng)堆，建設(shè)總量已經(jīng)堪比一些國家國營研究院的設(shè)備總和；最后，則是該公司選擇的與眾不同的反應(yīng)堆構(gòu)型和工作方案，和目前我們熟知的磁約束聚變、慣性約束聚變有著極大的區(qū)別。而且該公司更是揚言，要在2025年實現(xiàn)該反應(yīng)堆的商業(yè)運作，這顯然是讓很多人驚掉了下巴——畢竟，ITER僅僅是要在2025年開始第一次等離子實驗而已！

那么，為什么一家美國民營企業(yè)要推出如此新奇的核聚變設(shè)計呢？傳統(tǒng)設(shè)計又有哪些難以排除的障礙呢？

當前托卡馬克的局限性：無法氚自持、排灰困難、維修量大、發(fā)電效率低下

托卡馬克設(shè)備是如今研究最多，最為“成熟”的核聚變研究設(shè)施，中國國內(nèi)的試驗設(shè)備已經(jīng)取得了1億攝氏度100秒的驚人記錄。不過，就算是ITER國際熱核聚變研究堆，在設(shè)計之初，就已經(jīng)有多個難以解決的重點障礙尚待克服。

第一就是氚自持問題。我們知道，在氫原子核聚變的反應(yīng)式中，氚-氘聚變所需要的溫度是最低的，也是人類目前目前唯一能夠在地球上實現(xiàn)的反應(yīng)。但是，氚的生產(chǎn)極為困難——傳統(tǒng)的氚僅僅在福島核廢水一樣的反應(yīng)堆污水中才能檢出，世界上每年也僅有幾個反應(yīng)堆生產(chǎn)出僅夠研究的氚，并供不應(yīng)求。此外，氚作為氫的同位素，在儲存時極易泄漏，就算是一大罐氚運輸?shù)胶司圩冸娬荆矔驗殡暗男孤┒粩鄿p少（這點可以參考航天液氫的泄漏速度）。因此，在設(shè)計氫彈時，為了繞過昂貴的氚制備和儲存過程，科學(xué)家選擇了鋰作為增殖物質(zhì)，它可以在原子彈釋放的中子流下破碎為氚，從而和氘完成核聚變反應(yīng)。

然而，在實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電的情況下，可不是這么好解決氚供應(yīng)的問題，畢竟商業(yè)運轉(zhuǎn)是需要連續(xù)運轉(zhuǎn)幾個月不能停機，像核彈頭這樣一次性生產(chǎn)氚顯然是不可能的。為了解決連續(xù)提供氚的問題，科學(xué)家提出了“氚自持”的概念，也就是說，反應(yīng)堆點火后，只補充氘，氚則通過鋰包層不斷地通過中子流擊碎鋰而生產(chǎn)氚。

以下援引《CFETR氚循環(huán)模型和氚自持研究》-潘磊的文章：

“氚自持”容易理解，實踐起來卻極難。由于核聚變反應(yīng)堆運轉(zhuǎn)時溫度上億攝氏度，此時所有的運轉(zhuǎn)等離子體必須要在磁場作用下束縛在托卡馬克的中央呈環(huán)形運轉(zhuǎn)，其他空間保持高度真空，避免高溫等離子通過熱傳導(dǎo)機制而加熱空氣引發(fā)劇烈爆炸，而外部泵入的任何氣體要想跨過真空層“擠”入高速旋轉(zhuǎn)的等離子體并成功達到臨界濃度，都是異常困難且沒有實際驗證的事情。所以，就算是ITER，也并沒有考慮解決氚自持的事情，只有中國2018年開建的CFTER反應(yīng)堆設(shè)計時考慮轉(zhuǎn)化為商用發(fā)電機而考慮了在未來逐步實現(xiàn)氚自持的需求。

第二個就是能量的導(dǎo)出問題。如今，大部分托卡馬克的想法仍然是基于核裂變反應(yīng)堆的理論：將核聚變熱通過冷卻系統(tǒng)導(dǎo)出，然后驅(qū)動熱交換器帶動汽輪機，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。核聚變的發(fā)熱也是參考了核裂變：第一部分是熱輻射加熱；第二則是包裹在反應(yīng)堆外部的液態(tài)水，在吸收了核聚變的快中子后發(fā)熱?？墒牵司圩冡尫诺臒崮茈m大，但是通過兩重回路后，立即熱電效率大幅減弱。

目前，除了美國的“國家點火裝置”實現(xiàn)了核聚變產(chǎn)出功率大于投入（即Q＞1）外，所有的國家實際運轉(zhuǎn)的效率都低于1.換句話說，我們?nèi)缃竦摹昂司圩儭睂嶒灒軌虬l(fā)出的能量總和還不如輸入的能量多。同時，就算是Q值大于1，考慮到蒸汽-發(fā)電的效率通常較差（以核裂變反應(yīng)堆壓水堆運轉(zhuǎn)為例，水液冷不會高于35%；若采用氣冷方式或液態(tài)金屬冷卻，則可能達到40%左右），國際原子能機構(gòu)預(yù)計，ITER的Q值必須大于5，才能實現(xiàn)發(fā)電能夠抵消維持磁場的電力；只有Q值大于30，才能和當代核能的性價比抗衡進入商業(yè)發(fā)電。

因此，當代核聚變設(shè)備顯然在發(fā)電效率也很不理想。

第三個主要問題就是運轉(zhuǎn)排灰。我們知道，作為連續(xù)化發(fā)電的設(shè)備，托卡馬克必須要隨時添加燃料和排除“灰燼”。我們知道，核聚變DT反應(yīng)后會生成中子和氦原子核，中子自然是無法被磁場約束，釋放到外部被水層吸收發(fā)熱，而氦的排除就成了大問題。由于托卡馬克的原理是將高溫等離子體約束在環(huán)空器的真空中運轉(zhuǎn)，避免接觸外殼燒毀設(shè)備，但生成氦以后，氦累積起來就會減緩反應(yīng)效率。所以在持續(xù)不斷地商業(yè)運行中，不斷地補入氚、氘混合氣和排除氦4，是維持正常工況的必要因素。
但是，如何將排放的廢氣導(dǎo)出托卡馬克，并降溫到可以進行分離的過程，目前研究甚少。同時因為氦4和氘比荷極為接近（氦4帶2個質(zhì)子2個中子，氘帶1個質(zhì)子1個中子），根據(jù)洛倫茲力公式，二者在初速度相同情況下，在磁場中運轉(zhuǎn)半徑一致，并不好利用磁分離系統(tǒng)分離，只能用液體吸收的方式吸收，這就又帶來了降溫的問題。一直到2021年7月，英國科學(xué)家才首次使用了托卡馬克排氣降溫系統(tǒng)。

https://interestingengineering.com/world-first-tokamak-exhaust-system-paves-way-for-nuclear-fusion

因此，目前托卡馬克雖然是各國主要研究的核聚變對象，但是由于有不少缺陷，美國包括Helion Energy等諸多公司（如通用聚變公司和洛克希德·馬丁公司等）設(shè)計的反應(yīng)堆都不采用托卡馬克。下面，就讓我們透過Helion Energy的官網(wǎng)略微了解一下它的創(chuàng)新設(shè)計。

Helion Energy 公司的核聚變裝置可以概括為“磁鏡約束等離子對撞核聚變反應(yīng)堆”。該反應(yīng)堆的總體思路是磁鏡約束裝置、粒子對撞機和等離子發(fā)電機三者結(jié)合，并采用氦3替代氚，以避免產(chǎn)生中子。

首先，將氘和氦3分別從一側(cè)注入對撞機內(nèi)。并使用電場加速，在中間猛烈撞擊，引發(fā)氦3和氘核聚變，生成氫和氦原子核。

然后，由于核聚變將溫度劇烈提高，同時因磁場約束等離子體徑向擴張，只能沿著軸向兩端擴散。此時，由軸向設(shè)置的磁流體發(fā)電機，根據(jù)霍爾效應(yīng)將高溫等離子體的動能轉(zhuǎn)化為電能，同時完成反應(yīng)物的冷卻，冷卻完畢的反應(yīng)物從兩端排出反應(yīng)堆，并再開始下一輪循環(huán)。

因此，該反應(yīng)堆解決了以往托卡馬克幾個問題：能量轉(zhuǎn)換效率（不再使用水和蒸汽輪機過度，直接用磁流體發(fā)電機發(fā)電），加料和排氣（沿著軸向脈沖加料和排除產(chǎn)物，不再涉及進入環(huán)形磁場和環(huán)形等離子流），但又帶來新的問題：氦3。

氦3是一種地球上幾乎不存在的物質(zhì)，但是卻豐盛于月壤之中。不過，從月球開發(fā)氦3成本較高，Helion Energy則找到了一個辦法：賣反應(yīng)堆，再靠生產(chǎn)氦3賺錢。

https://news.bjx.com.cn/html/20210802/1167250.shtml

北極星核電網(wǎng)訊:美國聚變能源技術(shù)開發(fā)商Helion能源公司（Helion Energy）近日在華盛頓州埃弗雷特正式啟動其第七座聚變原型堆“北極星”的建設(shè)，預(yù)計將于2022年初建成。該設(shè)施還將用于制造氦-3燃料。

Helion能源表示，正在利用已獲得專利的脈沖非點火聚變技術(shù)開發(fā)一種零碳、經(jīng)濟高效、世界上首座商業(yè)上可行的聚變電廠。該聚變發(fā)電廠將提供“靈活、可擴展、經(jīng)濟的基荷電力，為世界提供一條實現(xiàn)電力完全脫碳的新途徑”?！氨睒O星”將加速這一技術(shù)的商業(yè)化進程。

Helion表示，其聚變技術(shù)與其他技術(shù)有三個主要不同：首先，它使用脈沖聚變系統(tǒng)，有助于克服最困難的物理挑戰(zhàn)，縮小聚變設(shè)備體積，并允許根據(jù)需要調(diào)整功率輸出；其次，該系統(tǒng)可直接獲取電能，而其他聚變系統(tǒng)需將水加熱以產(chǎn)生蒸汽來推動汽輪機發(fā)電，此過程會有大量能量損失；第三，它使用氘和氦-3作為燃料，有助于保持系統(tǒng)的小型化和高效。

（來源：微信公眾號“中核智庫”編譯自世界核新聞網(wǎng)站? ID：zhzk_cinie? 作者：張焰 伍浩松）

這個“賣反應(yīng)堆后靠燃料賺錢”的銷售戰(zhàn)略，是不是大家都想到了呢？沒錯，這就是著名的“柯達商業(yè)模式”。柯達公司雖然以制造高精度光學(xué)鏡片出名，但是照相機并非是柯達的主營業(yè)務(wù)收入，它的利潤源泉是柯達相機的專用膠片。

70后到90年代初的朋友都會記得柯達著名的廣告詞：柯達助你留下美好瞬間，而這背后則蘊藏著柯達創(chuàng)始人喬治·伊士曼的商業(yè)野心?？逻_創(chuàng)始人在1883年開發(fā)出感光膠片技術(shù)后，他研究出一種有別于當時依托專業(yè)攝影師的商業(yè)策略。他首先不斷在報紙上宣傳“攝影將幫助家庭記錄美好生活”，勾起平民攝影愛好者的需求，然后以遠低于當時專業(yè)相機的價格出售平民相機，引誘百姓購買；接著才是重頭戲：柯達的相機必須搭配柯達專用的膠卷使用，而膠卷洗出來照片，則需要柯達公司設(shè)在全美的連鎖洗相店，通過柯達專用相紙才能洗出“留下美好瞬間”的照片。因此，那些以低價格購入相機的顧客，在未來整個使用過程中，在膠卷和相紙方面支付的價款遠遠高出相機本身的價格，而這也創(chuàng)造了柯達整個20世紀的偉大輝煌，但在數(shù)碼相機實現(xiàn)了“不再用膠卷，照片存在電腦和手機”后，柯達帝國轟然倒塌。

而如今，Helion Energy “賣反應(yīng)堆搭配專用燃料”，正是對柯達商業(yè)模式的最忠實的模仿，其本質(zhì)并非是為使用者帶來“取之不盡用之不竭的新能源”，而是靠控制“氦3生產(chǎn)”這獨一無二的能源，來牢牢地拴住客戶的心，迫使他們一輩子為了運轉(zhuǎn)反應(yīng)堆而持續(xù)不斷購買他們生產(chǎn)的燃料。這才是他們大力推廣該技術(shù)，甚至宣傳“2025投入商用”背后的實際目的。