要到達世界上最神秘的核聚變公司之一，訪客必須穿過聖安娜山腳下、加利福尼亞州爾灣市東部的一個郊區辦公園區，才能到達 Tri Alpha Energy 那棟巨大但沒有標記的總部大樓外。
這是任何局外人無需簽署保密協議能夠到達的最接近的地方；Tri Alpha 對其商業機密保護得非常嚴密，甚至沒有網站。但是，已經洩露出來的零星資訊表明，這棟大樓內設有美國目前執行的最大的核聚變實驗之一，同時也是最不尋常的實驗之一。Tri Alpha 沒有使用主導核聚變能源研究 40 多年的“託卡馬克”環形反應堆，而是正在測試一種線性反應堆，聲稱這種反應堆體積更小、結構更簡單、成本更低，並且將在短短十年多的時間內實現商業核聚變發電，遠遠領先於人們通常認為的託卡馬克反應堆的 30 到 50 年。
在世界領先的核聚變專案，一個名為 ITER 的巨型託卡馬克反應堆陷入延誤和成本超支的情況下，這聽起來特別吸引人。該設施正在法國卡達拉舍建造，預計將是第一個能夠從其等離子體燃料的持續燃燒中產生多餘能量的核聚變反應堆。但是，它的成本預計將高達 500 億美元，約為最初估計的 10 倍，並且在 2027 年之前不會開始首次燃料實驗，比計劃晚了 11 年。
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由於 ITER 消耗了美國核聚變能源預算的大部分，因此替代方法的支持者幾乎沒有政府支援。但是，對託卡馬克技術日益增長的不耐煩情緒刺激了 Tri Alpha 團隊以及美國和加拿大的許多其他物理學家去尋求不同的選擇。在過去的十五年中，這些特立獨行的人至少成立了六家公司，以尋求替代的核聚變反應堆設計方案。有些公司報告了令人鼓舞的結果，更不用說吸引了大量的投資。Tri Alpha 本身已經從微軟聯合創始人保羅·艾倫和俄羅斯政府的風險投資公司 Rusnano 等處籌集了 1.5 億美元。
但是，這種成功也帶來了對其大膽承諾的更多審查。馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學院 (MIT) 的核物理學家傑弗裡·弗萊德伯格說，Tri Alpha“在開始擴大到反應堆尺寸時，面臨著非常棘手的問題需要克服”。例如，該公司必須證明它能夠達到燃燒其想要使用的奇異燃料所需的十億開爾文溫度，並且必須展示一種將能量輸出轉化為電力的實用方法。馬里蘭州蓋瑟斯堡的倡導組織 Fusion Power Associates 的負責人斯蒂芬·迪安說，關於任何其他初創公司也可能提出類似的問題。“我認為你不能誠實地說這些東西中的任何一個都處於可以快速展示核聚變的階段，”他說。
替代核聚變公司能否保持其發展勢頭並證明其創始人樂觀態度的合理性？或者，它們會像之前的許多核聚變夢想一樣破滅嗎？
追隨太陽
原則上，建造一個核聚變反應堆只是模仿太陽的問題。取出氫或其他輕元素的適當同位素，加熱以剝離原子核上的電子並形成電離等離子體，然後壓縮該等離子體並將其保持一段時間，使原子核融合並將一部分質量轉化為能量。但是，在實踐中，試圖模仿一顆恆星會導致可怕的工程問題：例如，捕獲在磁場中的熱等離子體往往會像一條掙扎著逃脫的憤怒的蛇一樣扭曲和轉動。
核聚變研究人員長期以來一直認為託卡馬克是控制這種等離子體野獸的最佳方法。這些反應堆由蘇聯物理學家在 20 世紀 50 年代開發，並在十年後向西方公佈，它們的等離子體密度、溫度和約束時間都比之前的任何機器高得多。隨著物理學家改進設計，他們改進了託卡馬克控制高能等離子體的方式。
但是從一開始，許多物理學家就懷疑託卡馬克是否有可能擴大規模以實現商業電力輸出。首先，它們非常複雜。環形腔室必須纏繞多組電磁線圈，以形成約束等離子體的磁場。更多的線圈穿過環形孔，以驅動強大的電流穿過等離子體（請參閱“捕獲核聚變火焰”）。
然後是燃料，氘 (D) 和氚 (T) 這兩種氫同位素的混合物。D-T 被廣泛認為是電力反應堆唯一明智的選擇，因為它在比任何其他組合都低的溫度（僅約 1 億開爾文）下點燃，並且釋放的能量更多。但是，80% 的能量以快速移動的中子的形式從反應中出現，這將對電力反應堆的壁造成嚴重破壞，使其具有高放射性。為了發電，必須利用中子的能量來加熱傳統蒸汽渦輪機中的水，這個過程的效率只有 30-40%。
成本、複雜性和進展緩慢也困擾著慣性約束核聚變，它是託卡馬克磁約束最突出的替代方案。這種方法使用高功率雷射束來內爆冷凍的燃料顆粒，也獲得了大量的政府資金。但是，儘管在慣性約束方面進行了數十年的努力，但諸如加利福尼亞州利弗莫爾市勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施之類的專案仍在努力實現其核聚變發電的承諾（請參閱 Nature 491, 159; 2012）。
徹底的變革
這些擔憂引發了對仿星器的興趣：仿星器是一種環形裝置，簡化了託卡馬克的某些方面，但需要更復雜的磁體。但是，大多數主流等離子體物理學家只是將實際工程問題留到以後再解決，並假設在等離子體物理問題解決後，會出現解決方法。核聚變特立獨行者是少數認為需要更徹底的解決方案的人之一：首先透過設計一個電力公司可能真正想要購買的簡單、廉價的反應堆來使工程正確，然後嘗試使等離子體表現出預期行為。
這些初創公司之一是諾曼·羅斯托克，他是加利福尼亞大學爾灣分校的物理學家，他在 72 歲時於 1998 年共同創立了 Tri Alpha。他和他的同事提議放棄 D-T 燃料，轉而將質子與硼-11 融合，硼-11 是一種穩定的同位素，約佔天然硼的 80%。點燃這種 p-11B 燃料需要約 10 億開爾文的溫度，幾乎是太陽核心溫度的 100 倍。每次聚變事件產生的能量僅約為 D-T 釋放能量的一半。但是，反應產物實際上沒有麻煩的中子：聚變只會產生三個高能氦原子核，也稱為 α 粒子。這些粒子帶電，因此可以透過磁場引導到“逆迴旋加速器”裝置中，該裝置將以約 90% 的效率將其能量轉換為普通電流。
在託卡馬克中燃燒 10 億開爾文的 p-11B 等離子體是不可能的，至少是因為需要大得不切實際的磁場才能約束它。因此，羅斯托克和他的同事設計了一種線性反應堆，看起來像兩個槍管對槍管的加農炮。每個加農炮都會發射被稱為等離子團的等離子體環，這些等離子體環已知非常穩定：等離子體中離子的流動會產生磁場，而磁場又會保持等離子體受約束。“這是你能想象到的最理想的配置，”西雅圖華盛頓大學的等離子體物理學家艾倫·霍夫曼說。
要啟動反應堆，每個加農炮會將一個等離子團發射到中心腔室中，在那裡兩個等離子團會合併成一個更大的自由浮動等離子團，只要它可以獲得額外的燃料供應，它就會存在。從反應中出現的 α 粒子將被另一個磁場引導回加農炮，並被能量轉換器捕獲。
當該團隊在 1997 年釋出這一概念時，越來越清楚地看到，美國能源部不會資助該機器的開發，而是傾向於專注於託卡馬克，後者似乎是更安全的選擇。“大型實驗已經資助了幾十年，因此它們幾乎肯定會實現其里程碑，”華盛頓大學的等離子體物理學家約翰·斯洛說。“如果他們開始資助這些替代方案，所有不確定性都會再次出現。”
因此，羅斯托克和他的同事決定利用美國強大的高科技初創公司和風險投資融資文化。他們成立了一家公司，以 p-11B 反應的輸出命名為 Tri Alpha，並繼續籌集了足夠的投資來僱用 100 多名員工。
迪安懷疑初創公司的思維方式可能解釋了為什麼 Tri Alpha 如此保密。“這是作為一家風險投資公司的神秘感的一部分：在其他人看到你的想法之前先開發它們，”他說。但在過去五年左右的時間裡，該公司已開始允許其員工發表結果並在會議上展示。Tri Alpha 使用其當前的測試機器，一種名為 C-2 的 10 米裝置，已經表明，碰撞的等離子團如預期般合併，並且只要注入燃料束，火球就可以持續長達 4 毫秒的時間，這在等離子體物理標準中是令人印象深刻的。去年，Tri Alpha 研究員侯陽國在德克薩斯州沃斯堡舉行的等離子體會議上宣佈，燃燒持續時間已增加到 5 毫秒。該公司目前正在尋找資金來建造一臺更大的機器。
“作為一個科學專案，它非常成功，”霍夫曼說，當這位億萬富翁決定是否投資時，他審查了艾倫的工作。“但它不是 p-11B。”他說，到目前為止，Tri Alpha 僅使用氘執行其 C-2，而且它距離實現燃燒其最終燃料所需的極端等離子體條件還有很長的路要走。
Tri Alpha公司也沒有展示過將α粒子直接轉化為電能的技術。“我沒有看到任何在實踐中真正可行的方案，”麻省理工學院物理學家、前能源部門聚變能源顧問委員會主席馬丁·格林沃爾德說。事實上，Tri Alpha公司計劃其第一代發電反應堆將使用更傳統的蒸汽渦輪機系統。其他聚變領域的創業者也將面臨類似的挑戰，但這並沒有阻止他們前進的步伐。斯勞是位於華盛頓州雷德蒙德的Helion Energy公司的首席科學官，該公司正在開發一種線性碰撞束反應堆，該反應堆小到可以放在大型卡車的後部。Helion反應堆將從兩側向反應室發射穩定的等離子體團，燃料在其中被磁場擠壓直到聚變開始。在一秒鐘內，聚變產物被導走，與此同時下一對等離子體團飛速進入。“我們喜歡把它比作柴油發動機，”該公司執行長大衛·基特利說。“在每次衝程中，你注入燃料，用活塞壓縮它，直到它無需火花就點燃，爆炸將活塞推回。”
Helion公司已經在一個D-D反應堆中演示了該概念，等離子體團每三分鐘發射一次，現在該公司正在尋求未來五年內1500萬美元的私人融資，以開發一臺可以使用D-T燃料達到盈虧平衡點的全尺寸機器，即產生與執行所需能量一樣多的能量。該公司希望其反應堆最終能夠達到將氘與氦-3融合所需的更高溫度條件，這是另一種只產生α粒子和質子，而不產生中子副產物的組合。
基特利對資金持樂觀態度。“市場對低成本、安全、清潔的電力有巨大的需求，”他說。“因此，我們看到私人投資界正在大力推動資助替代發電方式。”基特利說，如果籌款成功，“我們的計劃是在六年內讓我們的試點發電廠上線。”
旋轉中
其他替代概念仍然使用D-T燃料，但以不同的方式將其約束。在加拿大伯納比，通用聚變公司的研究人員設計了一種反應堆，其中將D-T等離子體團注入到旋轉的液態鉛渦流中，然後透過一排活塞向內擠壓。如果這種壓縮在幾微秒內發生，等離子體將內爆以產生聚變條件。通用聚變公司於2002年成立的米歇爾·拉貝格說，這種設計的一個優點是液態鉛在受到中子轟擊時不會降解。
通用聚變公司已經用一個小型裝置演示了這個想法，該裝置使用爆炸驅動的活塞，並從風險投資家和加拿大政府那裡籌集了大約5000萬美元。拉貝格說，如果該公司能夠再贏得大約2500萬美元，它將建造一個更強大的內爆系統，可以將等離子體壓縮到聚變所需的水平——可能在未來兩年內。
儘管如此樂觀，迪恩估計，至少需要十年，甚至更長時間，任何一家替代聚變公司才能生產出可工作的發電廠。他說，有太多新技術需要展示。“我認為這些事情很有動力，應該得到支援——但我認為我們沒有處於突破的邊緣。”
在可預見的未來，美國能源部將提供多少支援尚不清楚。該部門的聚變能源計劃為Helion公司以及一些關於替代反應堆的小規模學術工作提供了一定數量的資金。其長期的資助機構，高階研究專案署-能源，也對一些替代概念表示了興趣，去年還為此舉辦了一次研討會。聚變能源顧問委員會正在準備一份為期十年的研究計劃，該計劃將於明年年初完成，可能會為這些新興企業帶來更多支援。但資金緊張，ITER仍然是巨大的財政負擔。
目前，大筆資金可能必須來自私營部門。儘管存在許多技術障礙，但投資者似乎願意冒險一試。
斯勞說：“人們開始思考，‘嘿，也許還有其他方法可以做到這一點！’” “也許花幾百萬來找出答案是值得的。”
本文經許可轉載，最初於2014年7月23日發表。