聚变能这一长期追求的梦想——它可能是一种取之不尽、零碳排放的能源——或许即将迎来重大飞跃。
这种无碳、无燃烧的能源正加快走向现实，这得益于麻省理工学院与一家新成立的私营公司之间的合作，即联邦聚变系统公司（Commonwealth Fusion Systems，CFS）。CFS将与麻省理工学院携手开展快速、分阶段的研究，基于高温超导体的进展，推动新一代聚变实验装置和发电厂的建设。这些研究得益于美国联邦政府数十年来对基础研究的资助。
CFS今日宣布，已获得意大利能源公司Eni对该项工作的5000万美元投资。此外，CFS仍在寻求其他投资者的支持。作为此次合作的一部分，CFS将资助麻省理工学院的聚变研究，最终目标是快速实现聚变能商业化，并开创一个新产业。
“这是一个重要的历史时刻：超导磁体的进步使聚变能有望触手可及，并带来安全、零碳的能源未来。”麻省理工学院校长L. 拉斐尔·赖夫（L. Rafael Reif）表示，“面对日益严峻的气候变化风险，我很高兴麻省理工学院正与长期及新结识的产业伙伴携手，全力推进这一面向我们共同地球未来的变革性愿景。”
“大家都认同聚变能最终的影响力和商业潜力，但问题是：我们如何实现这一目标？”联邦聚变系统公司首席执行官罗伯特·穆姆加德（Robert Mumgaard，2015年获理学硕士、博士学位）补充道，“我们将依托已有的科学成果，与合适的合作伙伴携手，并逐步攻克各项难题，从而实现这一目标。”
麻省理工学院研究副校长玛丽亚·祖伯（Maria Zuber）曾撰写一篇关于此消息重要性的评论文章，该文章刊登于今日的《波士顿环球报》（Boston Globe）。她指出，麻省理工学院与CFS的合作需要该校支持创新的各部门和人员通力合作：“我们感谢麻省理工学院团队为促成此次合作而不懈努力。副教务长凯伦·格利森（Karen Gleason）的领导作用至关重要，法律总顾问办公室、专项项目办公室、技术许可办公室以及麻省理工学院能源计划的创造力、勤勉与用心同样不可或缺。大家干得非常出色！”
超导磁体是关键
聚变是驱动太阳和恒星发光的过程，它使氢等轻元素相互碰撞，融合成氦等较重的元素，并在此过程中释放出巨大能量。这一过程只有在数亿摄氏度的极端温度下才能产生净能量，而任何固体材料都无法承受如此高温。为此，聚变研究人员利用磁场将高温等离子体——一种由亚原子粒子组成的气态“汤”——约束在特定位置，使其无法接触甜甜圈形反应室的任何部件。
这项新工作旨在建造一个紧凑型装置，能够产生1亿瓦，即100兆瓦（MW）的聚变功率。如果一切按计划进行，该装置将验证实现全尺寸聚变发电厂原型所需的关键技术里程碑，从而最终使世界走上低碳能源之路。若得以广泛推广，此类聚变发电厂可满足世界日益增长的能源需求中的很大一部分，同时大幅减少导致全球气候变化的温室气体排放。
“今天对我们来说是非常重要的一天，”Eni首席执行官克劳迪奥·德斯卡尔齐（Claudio Descalzi）表示，“得益于这项协议，Eni在开发环境影响不断降低的替代能源方面迈出了重要一步。聚变是真正的未来能源，它完全可持续、不产生排放或长期废物，并且可能取之不尽。我们正日益坚定地希望尽快实现这一目标。”
在未来三年内，CFS将通过Eni及其他投资者的投资，支持麻省理工学院超过3000万美元的研究。这项工作旨在研发全球功率最强的大孔径超导电磁体——这是建造体积更小的托卡马克聚变装置的关键部件。这些磁体基于一种近期才实现商业化供应的超导材料，将产生的磁场强度是现有任何聚变实验所用磁场的四倍，从而使同等尺寸托卡马克的输出功率提升逾十倍。
源自PSFC的构想
该项目由麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）的研究人员提出，由PSFC主任丹尼斯·怀特（Dennis Whyte）、副主任马丁·格林沃尔德（Martin Greenwald）领导，团队成员来自麻省理工学院的各个部门，涵盖工程、物理、建筑及经济学等多个学科。PSFC核心团队包括穆姆加德、丹·布鲁纳（Dan Brunner，2013年获博士学位）和布兰登·索博姆（Brandon Sorbom，2017年获博士学位），三人目前均在领导CFS；此外还有扎克·哈特维格（Zach Hartwig，2014年获博士学位），他现任麻省理工学院核科学与工程系助理教授。
超导电磁体一旦由麻省理工学院和CFS的研究人员研制成功（预计可在三年内完成），麻省理工学院与CFS将利用这些磁体设计并建造一个名为SPARC的紧凑型高功率聚变实验装置。该实验将用于预期的最后一轮研究，为设计世界上首座商业发电聚变电站奠定基础。
SPARC设计输出约100兆瓦的热功率。虽然它不会将这些热量转化为电力，但它将以约10秒的脉冲形式产生相当于一座小城市所用的功率。该输出功率将是加热等离子体所需功率的两倍以上，从而实现终极技术里程碑：聚变实现正净能量。
这项演示将证明，一座直径约为SPARC两倍、能够产生具有商业可行性净输出功率的新发电厂，可以推进到最终设计与建造阶段。此类电站将成为世界上首座真正的聚变发电厂，发电容量为200兆瓦，与大多数现代商用发电厂相当。届时，其建设可以快速推进且风险很小，此类发电厂可在15年内完成演示，怀特、格林沃尔德和哈特维格如是表示。
对ITER形成补充
该项目预计将补充一项名为ITER的大型国际合作计划的研究工作。ITER目前正在法国南部建设，是全球规模最大的聚变实验装置。如果成功，ITER预计将在2035年前后开始产生聚变能。
“聚变的重要性远不止于单一路线，”格林沃尔德说道。他是PSFC的高级研究科学家。
通过使用由这种新近可得的超导材料制成的磁体——即一种涂覆有钇钡铜氧化物（YBCO）化合物的钢带——SPARC的设计聚变功率输出约为ITER的五分之一，而其体积仅约为ITER的1/65，哈特维格表示。他补充说，YBCO带材的最终益处在于，它大幅降低了建造净聚变能装置所需的成本、时间及组织复杂度，使大学和私营企业规模的新参与者和新方法得以进入聚变能领域。
这些高场磁体大幅缩小了实现特定功率水平所需电站的尺寸，这一变化对设计的各个环节都产生了连锁影响。原本大到必须在现场制造的部件，现在可以在工厂预制后运送至现场；冷却及其他功能的辅助系统也将相应按比例缩减；设计与建造的总成本和时间也将大幅减少。
“你们所需要的是能够与未来10至20年并入电网的各种发电技术良好协同的技术，”哈特维格表示，“目前电网正逐步摆脱这些两三吉瓦的整体式煤电或裂变发电厂。美国很大一部分发电设施的规模如今处于100至500兆瓦之间。你们的技术必须适应市场上的需求，才能在激烈的竞争中保持强劲优势。”
怀特解释道，由于磁体是新型聚变反应堆的关键技术，且其研发存在最大的不确定性，因此磁体工作将作为项目最初的三年阶段。这一阶段将建立在麻省理工学院及其他机构开展的联邦资助研究的坚实基础之上。他表示，一旦磁体技术得到验证，设计SPARC托卡马克的下一步将基于对现有托卡马克实验相对直接的演进。
怀特表示：“通过优先推进磁体研发，我们认为这将在三年内给出一个非常可靠的答案，并使我们在未来推进过程中充满信心，因为你们正在尽可能地为回答关键问题创造最佳条件，这一问题是：能否利用磁约束等离子体实现净能量输出？”怀特是美国日立工程学教授，也是麻省理工学院核科学与工程系主任。
该研究项目旨在利用数十年政府资助研究积累的科学知识和专业经验——包括麻省理工学院自1971年至2016年运行的Alcator C-Mod实验装置及其前身的工作成果——并结合一家资金充足的初创企业的高强度投入。怀特、格林沃尔德和哈特维格表示，这一方法可以大大缩短将聚变技术推向市场的时间——趁聚变在应对气候变化方面仍有时间发挥实际作用之际。
麻省理工学院能源计划（MITEI）的参与
联邦聚变系统公司是一家私营公司，将作为一项全新的大学与产业合作计划的一部分，加入麻省理工学院能源计划（MITEI）。MITEI与CFS之间的合作有望加强麻省理工学院在聚变科学方面的研究与教学，同时培育一家强大的产业伙伴，最终有望将聚变能推向实际应用。
“MITEI专门为能源初创企业设立了一种新的会员资格，CFS是通过这一新计划成为会员的首家公司，”MITEI主任、麻省理工学院化学工程系雪佛龙教授罗伯特·阿姆斯特朗（Robert Armstrong）表示，“除了提供学院的重要资源和能力外，该会员资格还旨在让初创企业接触现有能源企业及其对能源体系的丰富认知。正是通过与MITEI的合作，Eni（MITEI的创始成员之一）才意识到SPARC在革新能源体系方面的巨大潜力。”
能源初创企业通常需要大量研究资金，以推动其技术发展到可将新型清洁能源方案推向市场的阶段。传统的早期融资方式往往与能源投资者熟知的漫长周期和高资本密集度不相适应。
“由于实现聚变反应所需条件的特殊性，你必须从大规模起步，”格林沃尔德表示，“这正是这种学术与产业合作对于推动该技术快速发展至关重要的原因。这可不像三个工程师在车库里开发一款新应用那么简单。”
CFS首轮融资的大部分将用于支持麻省理工学院的合作研发，以验证新型超导磁体。团队有信心，这些磁体能够成功研制，满足任务需求。格林沃尔德补充道：“但这并不意味着这是一项简单的任务”，它需要一支庞大的研究团队付出大量工作。不过，他指出，其他人已使用这种材料为其他用途制造过磁体，其磁场强度是本反应堆所需强度的两倍。尽管这些高场磁体体积较小，但它们确实验证了该概念的基本可行性。
除了支持CFS之外，Eni还宣布了一项协议，将与MITEI合作，资助由PSFC聚变技术创新实验室开展的聚变研究项目。这些研究项目在未来几年的预期投资约为200万美元。
“保守的物理路线”
SPARC是一种托卡马克设计的演进版本，该设计已经过数十年的研究和改进。其中包括麻省理工学院自20世纪70年代开始的工作，由布鲁诺·科皮（Bruno Coppi）和罗恩·帕克（Ron Parker）两位教授领导，他们开发了高磁场聚变实验，此后麻省理工学院一直在运行这类实验，并创下了多项聚变纪录。
“我们的策略是采用保守的物理路线，基于麻省理工学院及其他机构数十年的研究成果，”格林沃尔德表示，“如果SPARC能够达到预期性能，我认为这有点像聚变领域的‘基蒂霍克时刻’，即在一座可扩展至真实发电厂规模的装置中，有力地证明了净功率的产生。”
