DeepTech深科技 2025-05-11 15:17 北京
一种比托卡马克更简单、更高效的商用反应堆建造方法。
近日，美国公司 TAE Technologies（下称 TAE 公司）称找到一种比托卡马克更简单、更高效的方法来建造商用反应堆，日前相关论文发表于 Nature Communications。TAE 公司的 CEO 米歇尔·宾德鲍尔（Michl Binderbauer）表示：“这一里程碑式的成果极大地加快了 TAE 公司迈向商业氢硼核聚变的进程，这种核聚变将为子孙后代提供一种安全、清洁且几乎取之不尽的能源。”
（来源：TAE 公司）
该技术让反应堆能够自行产生约束场，无需使用大型磁线圈和其他系统，即便使用更小、更简单的装置也能显著提高反应堆的性能和效率，这将有望降低商用聚变发电厂的建设成本和建造难度。
（来源：TAE 公司）
据介绍，本次技术的原理在于摒弃了环形磁场，转而采用基于场反转配置（FRC，field-reversed configuration）原理的线性磁场。本质上，场反转配置可以使等离子体自行产生磁约束场，同时无需庞大的磁线圈。在将氢的高能离子加速并赋予其电中性电荷后，这些离子会以离子束的形式被注入到等离子体中。当束流粒子与等离子体碰撞时，粒子会重新电离，而碰撞产生的能量则用于加热等离子体。
图 | 相关论文（来源：资料图）
巧妙之处在于，这会在等离子体中形成环形电流。随着这些作用的增强，最初用于约束等离子体的磁场会发生反转，此时等离子体开始生成自约束磁场。这种磁场可被实时调控，既能维持稳定性，又能按需调整压力参数。根据 TAE 公司的说法，在相同的磁场强度和等离子体体积下，场反转配置反应堆的聚变功率输出可达托卡马克的 100 倍。这使得线性反应器的设计变得出奇地简单，建造成本和运营成本也更低。
（来源：资料图）
TAE 公司表示，通过使用一套新的中性束注入系统，他们已改进了之前的实验反应堆，缩小了装置的尺寸和复杂性。此外，场反转配置允许反应堆以质子-硼无中子聚变的方式运行。这其实是一种聚变反应，能将氢原子核和硼-11 原子进行聚变，而不是将氢的两种同位素氘和氚进行聚变。同时，它也被称为是无中子反应，因为该反应不产生中子，而是产生三个 α 粒子（氦-4 原子核）以及大量能量。
这一点可谓颇具吸引力，因为中子数量越少，对反应堆造成的损害就越小，以带电粒子形式释放的能量也更容易利用，所需的防护层也更少，而且硼-11 相对丰富并且没有放射性。
与此同时，TAE 公司的新装置仅使用中性束注入来产生高温、稳定的场反转配置等离子体，从而使装置的尺寸、复杂性和成本降低多达 50%，并优化了成本竞争力和商业可行性。在以往的场反转配置中，需要复杂的等离子体形成部分（装置两端的长石英管）和超声碰撞来产生场反转配置等离子体，而 TAE 的纯中性束注入方案则能直接在装置中心产生、加热并稳定场反转配置等离子体。
该公司将此次新型反应堆称为“Norm”，其名称源自于上一代 Norman。相比之下，Norm 显著缩短了轴向长度，这是因为新的场反转配置系统使得工程师们能够弃用反应室两端的长石英管（这些石英管原本是在等离子体注入过程中通过超音速碰撞来产生等离子体的）。这让 Norm 不仅刷新了 TAE 公司的稳态等离子体性能纪录，更为 TAE 公司下一代反应堆原型机“哥白尼”的验证奠定了基础。
图 | 从 Norman 到 Norm（来源：TAE 公司）
也就是说，通过 Norm 所产生的数据将用于指导 TAE 公司下一座反应堆“哥白尼”的建设，在“哥白尼”反应堆之后则是“达芬奇”，它们都是 TAE 的商业原型反应堆，预计将在未来十年投入使用。
“有了 Norm 装置，我们已经攻克了场反转配置余下的复杂难题，并且通过 Norm 的成功运行，TAE 公司已经在很大程度上降低了‘哥白尼’项目的风险，”TAE 公司的 CEO 米歇尔·宾德鲍尔（Michl Binderbauer）说。他还表示：“仅依靠中性束注入（NBI，Neutral Beam Injection）所取得的成果是 TAE 公司核聚变研发的一个转折点，为简化型装置规划了一条道路，直接解决了成本、效率和可靠性这些商业关键指标问题。”
TAE 首席科学官田岛敏木（Toshiki Tajima）则补充称：“仅使用中性束注入的方法在几十年前的许多实验中已有尝试，但均未成功。正是 TAE 公司在中性束、电源和实时主动反馈控制方面的关键创新为这一突破铺平了道路，我们现已证明仅使用中性束注入的场反转配置形成技术不仅能降低系统复杂性和成本，还能提高等离子体稳定性和整体机器性能。”
图 | Norm（来源：TAE 公司）
据了解，我们熟悉的外形像甜甜圈的托卡马克装置，最初由同为前苏联科学家兼诺奖得主的伊戈尔·塔姆（Igor Tamm）和安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）于 20 世纪 50 年代提出，托卡马克利用环形磁场约束氢等离子体，使其维持类似太阳的高压与高温，从而触发核聚变反应。经过几十年的发展，托卡马克装置的设计已经变得庞大无比，需要使用巨大且复杂的超导磁线圈来产生约束磁场，同时还需要同样复杂且庞大的电磁加热系统，以至于最大的托卡马克装置重达 23000 吨，并且距离实用化仍有很长的路要走。作为核聚变电站的主流设计方案，托卡马克反应堆如今就像一场“失控的房屋扩建工程”，所耗费的时间和资金远超最初预算，甚至让人后悔当初为什么要启动它。而自 20 世纪 50 年代以来，实用核聚变能源始终被视为是一个“再过 25 年就能实现”的目标，TAE 公司的这些突破性进展表明，这一愿景可能会在未来十年内成为现实。
另据悉，TAE 公司成立于 1998 年。多年来这家公司一直处于隐身模式，直到 2015 年才推出自己的网站，其目标是在 2030 年前制造出商用聚变反应堆的原型。它的主要融资来自高盛公司、微软联合创始人保罗·艾伦（Paul Allen）的 Vulcan Inc.、洛克菲勒家族的文洛克创投和美国风险资本家理查德·克拉姆里克（Richard Kramlich）的恩颐投资等。
如前所述，Norm 的上一代是 Norman，这一命名来自于 TAE 公司联合创始人之一加拿大等离子体物理学家诺曼·罗斯托克（Norman Rostoker）的名字。1925 年诺曼出生于加拿大，后于 2014 年去世。早年，他先后在加拿大多伦多大学和美国卡内基理工学院获得硕士学位和博士学位。毕业之后，他陆续在 Armor Research Foundation、通用原子公司、美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校、美国康奈尔大学和美国加利福尼亚大学尔湾分校等机构和高校任职。正是在加利福尼亚大学尔湾分校任职期间，目前担任 TAE 公司 CEO 的米歇尔·宾德鲍尔（Michl Binderbauer）成为了诺曼的学生。
图 | 从左到右：TAE 公司的联合创始人之一诺曼·罗斯托克（Norman Rostoker）、目前担任 TAE 公司 CEO 的米歇尔·宾德鲍尔（Michl Binderbauer）（来源：TAE 公司）
据 TAE 公司介绍，米歇尔是该公司在聚变能源、电源管理和粒子加速器领域的多项技术的共同发明人。在 2018 年之前他担任 TAE 公司的 CTO，在担任 CTO 期间米歇尔牵头与谷歌建立了合作关系，将机器学习和 AI 技术用于聚变研究。2014 年，TAE 与谷歌共同开发了“验光师算法”，该算法通过融合人类智能与计算机算力，使 TAE 公司的聚变能源研发效率得到指数级提升。按照计划，TAE 公司的“哥白尼”反应堆原型将在 2030 年前验证其粒子束驱动场反转配置技术实现净能量增益的可行性，而该公司的首座示范性聚变电站“达芬奇”则将于 2030 年代初期建成投运。
参考资料：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58849-5
https://en.wikipedia.org/wiki/TAE_Technologies
排版：溪树
