核聚变箍缩反应堆

Zap能源公司的新型Z-箍缩反应堆将展示如何利用简单的方法实现难以达到的目标。

近几个月来，由于超导磁体的巨大进步，托卡马克成为人们关注的焦点。托卡马克装置利用磁体来约束高温等离子体，原子核在高温等离子体中发生聚变并释放能量。尽管取得了这些成就，但传统的磁约束聚变距离实现核聚变承诺的大量生产无碳电力还要几年的时间。

但托卡马克并非获得核聚变能量的唯一途径。总部位于西雅图的Zap能源公司的FuZE-Q反应堆计划于2022年年中完工，这个反应堆不需要昂贵复杂的磁线圈，而是由机器沿着高导电等离子体柱发送电流脉冲，产生的磁场可同时限制、压缩和加热电离气体。这种方法被称为Z箍缩（Z-pinch），这样命名是因为电流沿着三维网格的第三轴或Z轴箍缩等离子体，其产生能量的装置有可能会比笨重的托卡马克装置以及当前正在开发的激光聚变设备更简单、更小巧、更便宜。

Z-箍缩等离子体过去一直受到不稳定性的困扰。在没有完全均匀挤压的情况下，等离子体会在几十纳秒内起皱、蜷缩和倒塌，时间太短，无法产生有效的电量。

Zap能源公司的方法叫做“剪切流稳定”，其通过调整等离子体沿立柱的流动来克服不稳定性。这种设计用速度更快的等离子体流将等离子体包裹在立柱中心轴附近。离子体就像在高速公路中间车道上行驶的一辆辆汽车，由于两侧车道呼啸而过的车辆高速而密集，因此无法变换车道。与之前的Z箍缩结构相比，这种设置保持聚变反应等离子体被集结和被压缩的时间更长。

Zap能源公司的研发总监本•莱维特（Ben Levitt）说：“我们认为我们的反应堆是最便宜、最紧凑、最可扩展的解决方案，也是实现商业聚变发电的最短路径。”莱维特预测，到2023年中期，Zap将达到Q=1的科学盈亏平衡点，即聚变原子释放的能量等于创造聚变条件所需的能量。它将成为第一个达到该点的聚变项目。

由于聚变能源研究长期以来都未能兑现诺言，这类说法值得怀疑。但Zap能源公司在令人生畏的陡峭技术曲线上迅速攀登，令人印象深刻。这家初创公司成立于2017年，由华盛顿大学聚变Z箍缩实验（FuZE）研究团队派生而来。第二年，该公司就生产了第一次批聚变反应产品。在公司成立之前，该大学团队曾与美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室的研究人员合作。获得了美国能源部的一系列拨款，测试剪切流方法并逐步提高能量级别。迄今为止，该公司已筹集了 4000多万美 元。

如今实验已证实了仿真预测：当Z箍缩电流增强时，等离子体能够保持稳定。新设备的预算成本约400万美元，将脉冲强度从500千安培提高到650千安培以上——在这个近似阈值点，莱维特及其团队相信将能展现能量盈亏平衡。

“当我们不断注入能量时，等离子体会保持稳定吗？这是一个价值万亿美元的问题，”莱维特说，“我们有大量的高保真模拟表明，物理特征没有变化，当我们达到更高的内在能量时，剪切流机制仍在起作用。但我们需要证据，而且我们离这不远了。”

现实世界常常给自信的仿真预测以哂笑，特别是在等离子体物理现象中，条件的微小变化，也可能导致不稳定性突然出现。即使新的FuZE-Q机器实现了科学盈亏平衡点，但要超过工程上的盈亏平衡，即输出功率超过产生聚变反应所需的功率，还需要未来的机器产生更高的电流。Zap能源公司希望在2026年实现这一里程碑。

“几十年前，就有许多团队尝试过Z箍缩法，现在Zap利用剪切流找到了稳定Z箍缩的办法。”前美国海军核工程师、聚变顾问马特•莫伊尼汉（Matt Moynihan）说，“在他们测试的条件下这是可行的，很令人兴奋，但现在我们需要看看，当把功率增加到可从中获得净能量时，是否还能保持这种稳定性。”

毫无疑问，核聚变正是我们迫切需要的随时可用的无碳电力来源。但要解决气候危机，主流的方法成本太高，进展太慢。也许某一天，Zap能源公司的反应堆可用于先进的太空推进。届时Z-箍缩反应堆将安装在航天器上，反应堆的末端开放，喷出高速的等离子体流推动航天器前行。

目前，核聚变动力太空飞行和核聚变能量发电仍然停留在理论阶段，但Zap能源公司已瞄准了这一目标。

作者：Tom Clynes