9 月 29 日，《等离子体物理学杂志》（ of ）专刊一举刊登7篇研究论文，全面报道了美国麻省理工学院（MIT）与初创公司 关于新型可控核聚变反应堆研究工作的重大突破。

在一系列论文中，研究人员详细阐述了其关于小型化可控核聚变反应堆的理论研究进展。他们宣称，在使用了新型高温超导材料之后，其设计的 SPARC 反应堆将能达到与国际热核聚变实验堆（ITER）同等级别的性能指标，而体积却只有后者的 2%。

如果项目能够如期在 2025 年完成，这将成为世界上首个输出能量大于输入能量的可控核聚变反应堆，将人类关于可控核聚变反应的研究进展大幅提前至少十年；更为未来小型化、低建造难度的商用可控核聚变反应堆指出一条全新的发展路径。

图 | SPARC 反应堆（来源：T. /CFS/MIT-PSFC）

中国目前也在开展多项核聚变研究，其中，中国聚变工程实验堆（CFETR）最具雄心，是中国自主设计和研制，并联合国际合作的重大科学工程， 将于 2021 年开始立项建设。 联系了参与其中的多位专家，来评价 SPARC 项目的最新进展，得到的答复多为：“对此项目不了解，无法评价。”也有专家对此进展表示鼓励，“听说过 MIT 的一些关于此紧凑型装置的设计，但没有认真调研。多途径探索是技术发展的有效方法，钦佩 MIT 人员的努力和勇气。”

一位在中国科学院核聚变大科学工程中负责超导材料研究的研究员告诉 ，聚变功率与磁场的四次方成正比，这也是 SPARC 项目追求强磁场的原因，但“追求高磁场，成本比较难降！”

尽管在业内专家眼中，SPARC 项目还存在诸多挑战，但依然算核聚变领域期待已久的重大突破，尤其是在国际热核聚变实验堆又一次宣布推迟之后。

梦想中的人类终极能源——可控核聚变

可控核聚变可谓人类能源问题的终极解决方案。

我们现有的绝大多数利用能源的方式，归根到底都来源于太阳在过去和现在辐射到地球的能量。而太阳以及其它宇宙中恒星的能量来源，却是核聚变。

当两个质量较轻的原子核融合时，其质量将有一部分转化为能量。例如，一个氘原子核（2H 或 D）和一个氚原子核（3H 或 T）融合时，总质量会减小，亏损的质量变成一股巨大的能量释放出来，其大小等于这部分质量乘以光速的平方。

图 | 氘 - 氚 （D-T）的核聚变反应产生氦（He）与中子（n）并释放核能。（来源：）

这意味着，核能有着比化学能、机械能相比大得多的能量密度：在人类已知的反应中，核聚变反应所能释放出来的能量仅次于正反物质湮灭。

以上述氘 - 氚（D-T）核聚变反应为例，作为难度最低、释放能量最小的核聚变反应，同等质量的氘 - 氚核聚变所能释放出来的能量大约是汽油的 2500 万倍。与之相比，我们熟知的核电站利用的则是核裂变，也就是铀 235 原子分裂时产生的能量，其能量密度仅仅是氘 - 氚核聚变的百分之一。

核裂变发电本来是很好的零碳能源形式。然而福岛核事故之后，因人们对核裂变过程中在核辐射、核废料处理、反应过程控制、防止核泄漏等方面存在诸多疑虑，不少国家放慢、甚至取消了发展裂变核电的计划。而比核裂变强大得多的核聚变则没有这些问题：氘 - 氚燃料来源广泛，核反应过程中几乎没有核辐射，废料也几乎没有放射性，反应还好控制——只要断电就可以终止，无需担心出现恐怖的核事故。

因此，可控核聚变简直就是人类梦想中的能源形式，一旦实现，人类文明都有可能因此再上一个台阶。

图 | 设计中的可控核聚变发电流程（来源：SPARC）

可是，几十年过去了，人类在核聚变发电技术方面仍然进展缓慢。这是因为，想要实现可控的人工核聚变，简直太难了。

永远的还差 50 年

人类并不是没有掌握人工核聚变的技术。早在几十年前，人类就实现了不可控的人工核聚变，并利用其巨大的能量，造出了我们目前所掌握的最恐怖的武器——氢弹。

图 | 人工核聚变：不可控的氢弹（左）和可控的“东方超环”。（来源：U.S. Air Force，中国科学院合肥物质科学研究院）

而在实验室里，我们也可以成功维持一段时间的可控核聚变。例如 2017 年，位于合肥的中国大科学装置“东方超环”—— 先进实验超导托卡马克（EAST）创造了 102 秒、芯部电子温度超过 5 千万度的世界纪录，而 2018 年更是首次实现了 1 亿度等离子体运行。然而这些可控核聚变过程中，维持聚变反应所消耗掉的能量总是大于我们从聚变反应中获得的能量。

几十年来我们一直听说，人类离实现可以发电的可控核聚变还有 50 年的时间。几十年前就说还差 50 年，几十年后依然如此。甚至有很年轻的科学家表示，自己的有生之年应该是看不到可控核聚变为人类贡献能源的那一天了。

这是为什么呢？

其关键难点之一在于，核聚变所要求的温度实在太高了。

太阳上内核温度有 1500 万度，而如果我们在地球上想要利用核聚变来发电，温度必须要达到 2 亿度。在这个温度下，原子中的电子将与原子核分离，共同形成等离子体。一旦等离子体与位于地球表面上的外部世界接触，其温度将不可能保持在 2 亿度。因此，参与可控核聚变的等离子体必须要与外界隔绝开来，装在一个特殊的容器中，在我们的控制下慢慢地发生反应，而不是像氢弹那样将能量瞬间释放，产生巨大的破坏。

然而，地球上并没有这样的物质来制作这样一个容器。我们所拥有的最耐热的物质——钨，只能耐受 3000 度。

那么还有什么别的办法？

用实打实的物质不行，几个苏联物理学家在 1950 年代想出了一个新方法：用看不见摸不着的磁场，来给等离子体编织一个逃不出去的笼子。

这便是所谓的“托卡马克（Токамáк）”，来源于俄语的环形（）、真空室（）、磁（）和线圈（）。顾名思义，就是在真空的环境中，用环形线圈形成一个封闭的磁场，里面充满没头没尾的磁感线。等离子体是带电的，会被封闭的磁感线束缚住，绕着它做螺旋式运动，这样，参与核聚变反应的等离子体就会被束缚在磁场做的笼子里面。其所产生的热能，就可以有序地释放出来，被发电系统收集，最后转变为电能。

从上世纪五六十年代的苏联开始，不少国家都建立起自己的托卡马克反应堆。其中最重要的，是正在建设中的国际热核聚变实验反应堆（ ， ITER），由欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国和美国共同建设，是世界上最大的磁约束等离子体物理学实验装置。

ITER 于 2006 年开始启动，最初计划总投资 100 亿欧元，预计在 2018 年完成建设。然而，本应成为国际科研合作典范的 ITER 项目，进展却一拖再拖，经费也节节攀升。今年刚刚发布的最新计划，已经把启动核反应的时间推迟到了 2035 年。

经费和政治的原因固然重要，但 ITER 的大手笔设计和超高的建造难度，才是其一直不能成功的根本原因——这个设备过于庞大、复杂和精密了：

图 | 庞大、精密、复杂的 ITER 一拖再拖，反复跳票（来源：Oak Ridge ）

新材料+旧设计=新可能

显然，如果要降低托卡马克装置的成本和建造难度，一个好办法就是减小它的体积。

核聚变领域有一个重要的指标，叫做聚变能增益系数 Q，是核聚变反应释放的能量与为了维持核聚变所需要的能量的比值。在没有物理原理突破的情况下，要想实现比较高的 Q 值，托卡马克装置要么得有大尺寸，要么得有强磁场。ITER 设计于十几年前，概念设计甚至始于上世纪八十年代。其所使用的超导材料性能一般，为了达到 Q=10 目标，其等离子体大半径高达 6.2 米，给项目的技术和资金带来了巨大的挑战。

而这次 MIT 与 团队给出的托卡马克小型化的办法，就是用更好的超导材料获得更强的磁场。

最近几年，超导材料领域出现了重大突破。后发制人的 SPARC 项目，用上了比 ITER 好得多的新型高温超导材料——稀土钡铜氧化物。

为此，他们研究出了一种新型高温超导导电带，经过数千次类似磁场环境情况下的循环之后，表现优异。在液氦温度下，仅有 0.1mm 厚、12mm 宽的线缆可以通过 5000 安培的电流。与之相比，同等截面积下的普通铜线，在常温下仅能安全通过约为 6 安培的电流。