新創公司表示，我們比以往更接近實現近乎無限、零碳排的核聚變能源。我們什麼時候能達到？
對於核聚變能源的追尋——這種清潔、潛在無限的能源，可能解決人類能源短缺的困境——始於對一個古老問題的回答，一個自我們抬頭仰望星空以來就開始提出的問題。
這是19世紀中葉。查爾斯·達爾文的自然選擇理論顛覆了我們對自己和世界的認知。但該理論有一個問題。物理學家開爾文勳爵問道，太陽怎麼能這麼長久地燃燒？根據達爾文的提議，它難道不應該在我們人類進化之前就燒光燃料嗎？
兩人都未曾活到得知驚人的答案：在太陽內部，較輕的元素持續融合成較重的元素，在這過程中釋放出巨大的能量。
「這個儲備幾乎是用之不竭的，」天文學家亞瑟·愛丁頓在1920年寫道，「如果我們能夠利用它的話。」
一個世紀之後，一些新創公司表示，我們比以往任何時候都更接近實現這個目標。
在未來幾年，這些公司表示，他們的核聚變機器將產生超過其運行所需的能量。不久之後，他們將開始為工廠、數據中心、鋼廠等發電，幫助人類在遠離化石燃料、遠離全球暖化和空氣污染的道路上邁出決定性的一步，並告別通過引燃發動機、鍋爐和爐子中的微小火焰來為我們的生活供電。
包括比爾·蓋茲、傑夫·貝佐斯、維諾德·柯斯拉和山姆·奧特曼在內的大牌投資者已為此投入了數億美元，希望這就是核聚變的「基蒂霍克時刻」：那一刻再次展示我們人類掌控自然界極限的進步。
如今的核聚變新創公司不僅在實驗室為這一時刻做準備。他們還在與客戶簽訂預售合同、開發供應鏈、培養人力資源、與監管機構對話——這些都是將核聚變從科學實驗變為負擔得起的實用能源所需的元素。
然而，比以往更接近並不一定意味著接近。核聚變的歷史是錯失的期限與受挫的里程碑之墓，是興奮的爆發與挫敗的失望交替。
樂觀的看法是，新創公司比政府實驗室更快地推進。它們可以嘗試、失敗，然後再試。但哥倫比亞大學等離子體物理學教授傑拉爾德·納夫拉提爾（Gerald Navratil）說，半個多世紀的核聚變研究教會我們，失敗總是以無人預料到的方式發生。
「即使物理上的想法聽起來很誘人，」納夫拉提爾博士說，「直到你在真正的機器上、產生真正的能量來實際做到它，這才不只是一個想法而已。」
這有多困難？
如果科學家們沒有已經朝這個目標走得這麼遠，在地球上創造一顆正在運作的「星星」可能聽起來完全不可能。
首先，你需要把一小團氣體加熱到難以想象的溫度，超過一億攝氏度。這會使氣體變得如此之熱，以至於電子被從它們的原子中撕離出來。這麼熱，使得氣體超越了氣體狀態，進入了另一種物質形態：等離子體。
有了足夠的熱量，原子開始融合，儘管它們極不願這麼做。讓你的等離子體保持這樣的熱量足夠長的時間，並且在足夠高的壓力下，輸出的能量會比你加熱它所需的能量更多。
核聚變與當前核電站中使用的核裂變過程正好相反。原子不是分裂，而是結合在一起。基本燃料不是鈾，而是從海水中提取的氫。沒有失控反應的威脅，而且它所留下的放射性廢料也較少危險。要實現它並控制它，只是要困難得多。
「對於裂變，你只要把正確的材料堆在一起，它就會變熱，」普林斯頓大學天體物理學教授羅伯特·戈爾斯頓（Robert Goldston）說。「對於聚變，這是另一回事。」
一旦你創造了等離子體，接下來會怎樣？這些物質像超熱果凍一樣扭動和蠕動，所以你必須把它穩住，否則它可能會擺動並融化你的設備。或者它也可能會崩潰，因為儘管等離子體暴力而動蕩，但它也非常脆弱：你甚至可以用吹氣的方式讓它熄滅。
在太陽內部，是重力將等離子體凝聚在一起。在地球上，人們使用的是超強磁鐵或激光。
到這個時候，也許你已經成功了：原子正在融合，來自等離子體的高能粒子不斷向外釋放。你的機器必須承受住這種轟擊。但它同時還必須將能量轉化為可用的電力，保持反應進行，且不干擾到你的等離子體，這如同指尖旋轉的玩具陀螺般脆弱。
前進的道路有多艱難？
二戰結束後的幾十年裡，世界各地的政府實驗室逐漸接近完成這一目標。他們建造了更好的設備，讓等離子體存活的時間更長，並產生更大的能量。然而，在1990年代，美國國會削減了對磁約束聚變的資金，進展因此放緩。
科學家們仍然在努力。他們現在可以通過計算機模型來模擬等離子體在反應爐內的行為，達到相當精確的程度。他們了解為什麼某些方法有效，而其他方法無效。這些進展幫助美國勞倫斯利弗莫國家實驗室在2022年實現了瞬間的核聚變能量超過激光束輸入的能量。他們還幫助歐洲研究人員在英國的設施中創下了聚變能量的新紀錄。
但要走得更遠，還需要新的設備。而新設備需要資金，甚至是天文數字的資金。他們可能還需要新的技術，甚至新的材料。
「萊特兄弟基本上用自行車修理店的工具就能打造出可以飛行的技術，」納夫拉提爾博士說。「但你不能用同樣的方式來搞聚變。」
衝向2030年代
走進Commonwealth Fusion Systems位於麻薩諸塞州鄉村的新建築，乍看之下它可能像其他任何施工現場一樣：裸露的灰色地板，貼著膠帶的塑料板，角落裡有蜘蛛。
但繼續往裡走，你會遇到一道牆：八英尺厚的混凝土，包圍著建築物的最內部，保護外界不受內部影響。
在這裡，一個寬敞而神聖的房間內，一台巨型機器即將被安放在中心位置。它的核心周圍將排列著18個巨型磁鐵，每個磁鐵的力量足以提升航空母艦。當機器啟動時，內部的磁力將與10枚火箭同時升空一樣強大。
在核聚變產業中，這台機器被認為是「小型」的，但它確實如此：這是一個緊湊版，但強化過的托卡馬克裝置，這是一種自1960年代以來科學家們已經建造過數十個的環狀核聚變裝置。（托卡馬克是一個俄語縮寫。）
如果商業核聚變產業中有一個大魚，那就是Commonwealth。自2018年成立以來，該公司籌集了超過20億美元，比任何其他核聚變新創公司都要多。
他們在麻薩諸塞州建造的機器SPARC是一個示範裝置。Commonwealth的目標是在2027年讓SPARC產生淨能量，並以所謂的「商業相關」方式運行。而他們的下一台機器ARC，則是他們預計能在2030年代初期為付費客戶提供電力的設備。
（巧合的是，ARC也是「鋼鐵人」漫畫中由東尼·史塔克打造的核聚變裝置的名字。Commonwealth的投資者之一是一家由Robert Downey Jr.（電影中的東尼·史塔克飾演者）共同創立的公司。）
Commonwealth對實現目標充滿信心的原因之一是，在某些方面，SPARC是一台「保守」的機器，甚至是一台「無趣」的機器，該公司首席執行官Bob Mumgaard說。科學家們已經研究並建造托卡馬克裝置這麼久，以至於Commonwealth不需要在很多方面重新發明輪子，只有在少數關鍵領域需要創新。
換句話說，Commonwealth不像是從一個風箏開始，嘗試把它升級為超音速噴射機，而是從一架速度相當快的飛機開始，該公司首席科學官Brandon Sorbom說。
「我們有時候在會議上會被嘲笑，」Sorbom博士說。「有人說，‘你們真的建了一台很無聊的機器’。就像，你知道它會有效一樣。」
這樣的結果是，Commonwealth的員工可以專注於快速組裝SPARC——Mumgaard博士稱之為「硬核執行模式」——而不是在實驗室等待新的發現。他們也可以專注於SPARC的主要磁鐵，這也是其與以往托卡馬克的不同之處。每個磁鐵重達30噸，包含約200英里的超導帶，由機械精確纏繞成整齊、緊密的線圈，整個過程需要超過120個小時。
然而，Commonwealth大部分的創造力已經轉向他們下一個想建造的機器ARC。「我們仍然在ARC的學習曲線陡峭部分學習，」Mumgaard博士說。
該公司的科學家和工程師們仍在研究如何讓ARC的等離子體不易亂動，如何防止機器的某些部分過熱。他們還在檢驗他們使用的材料是否能承受高速高能粒子的轟擊，或者它們是否需要補充尚未發明的新材料。
黎明女神的啟示
Mumgaard博士承認，對托卡馬克的批評是它們是複雜的裝置。
難以建造，拆解和維護也很棘手。價格昂貴：根據Mumgaard博士的說法，建造SPARC最終可能耗資約12億美元。
目前在地球上建造的最大托卡馬克是一個位於法國的多國合作項目，稱為「國際熱核聚變實驗反應堆」（ITER，發音類似於「eater」），其成本將達數百億美元，且預計要到2030年代中期才能進行實驗。
這就是當前私人核聚變浪潮的另一面。大多數當今的新創公司並沒有跟隨ITER和Commonwealth建造托卡馬克。他們認為可以用其他類型的裝置更便宜、更簡單地實現聚變，即使這些設計在實際可行性方面有很大的不同。
「它們還沒有被證明，」麻省理工學院物理學家Earl Marmar說。「但祝好運，我希望有什麼很快能成功。」
Type One Energy和Thea Energy正在研究類似托卡馬克但更加扭曲和複雜的「恆星器」裝置，這些裝置形狀像被薩爾瓦多·達利想象的甜甜圈。Realta Fusion正在建造一個形狀像「太妃糖」的反應爐：一個兩端有磁鐵的圓柱體。
在西雅圖附近的一個辦公園區內，Zap Energy正在製造聚變裝置，其將等離子體絲束通過電力進行脈衝。不到一英里之外，Helion Energy正在研發一台核聚變機器，將兩個等離子體環相互射擊。Helion表示，他們將在2028年使用其技術為微軟發電。
在加拿大邊境附近的溫哥華，一家名為General Fusion的公司希望用類似汽車引擎活塞的東西來壓縮等離子體，而不是使用高科技磁鐵或激光或其他異常部件。該公司希望在2026年演示其新機器的可行性。
「現在有點像是狂野西部，」TAE Technologies核聚變公司物理研究副總裁Richard Magee在加州南部展示該公司的巴士大小測試反應爐時說。「很有趣的是看看10年後誰還能屹立不倒。」
當談到將人類推進到核聚變能源時，更多的公司可能意味著更多的「射門機會」，正如能源部核聚變科學計劃負責人Jean Paul Allain所說的那樣。一旦有人成功，所有人都能受益。
研究人員擔心的是，一些核聚變新創公司承諾的過多，且時間過於短促。即使它們的試驗性工廠成功，離真正準備好滿足全球電力需求的一部分還有很長的路要走，普林斯頓等離子體物理實驗室主任Steven Cowley說。
「有太多充滿超級炒作的內容了，」Cowley博士說。「你會擔心當人們無法兌現時的後果。」
David Gates在政府實驗室工作了三十年，然後在2022年幫助創立了Thea Energy。「如果你在10年前問我，‘我應該創建一家公司搞核聚變嗎？’我會說你瘋了，」Gates博士說。「私人部門對核聚變一點興趣都沒有。」
Thea正在研製一台名為Eos的機器。Thea或Theia是希臘的光明與視覺女神；而她的女兒是黎明女神Eos。
那麼核聚變的黎明何時來臨？至少對於Eos的計劃是，希望能在2030年投入運行。
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