Zap能源公司的新型Z-箍縮反應(yīng)堆將展示如何利用簡單的方法實(shí)現(xiàn)難以達(dá)到的目標(biāo)。
近幾個月來，由于超導(dǎo)磁體的巨大進(jìn)步，托卡馬克成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。托卡馬克裝置利用磁體來約束高溫等離子體，原子核在高溫等離子體中發(fā)生聚變并釋放能量。盡管取得了這些成就，但傳統(tǒng)的磁約束聚變距離實(shí)現(xiàn)核聚變承諾的大量生產(chǎn)無碳電力還要幾年的時間。
但托卡馬克并非獲得核聚變能量的唯一途徑?？偛课挥谖餮艌D的Zap能源公司的FuZE-Q反應(yīng)堆計(jì)劃于2022年年中完工，這個反應(yīng)堆不需要昂貴復(fù)雜的磁線圈，而是由機(jī)器沿著高導(dǎo)電等離子體柱發(fā)送電流脈沖，產(chǎn)生的磁場可同時限制、壓縮和加熱電離氣體。這種方法被稱為Z箍縮（Z-pinch），這樣命名是因?yàn)殡娏餮刂S網(wǎng)格的第三軸或Z軸箍縮等離子體，其產(chǎn)生能量的裝置有可能會比笨重的托卡馬克裝置以及當(dāng)前正在開發(fā)的激光聚變設(shè)備更簡單、更小巧、更便宜。
Z-箍縮等離子體過去一直受到不穩(wěn)定性的困擾。在沒有完全均勻擠壓的情況下，等離子體會在幾十納秒內(nèi)起皺、蜷縮和倒塌，時間太短，無法產(chǎn)生有效的電量。
Zap能源公司的方法叫做“剪切流穩(wěn)定”，其通過調(diào)整等離子體沿立柱的流動來克服不穩(wěn)定性。這種設(shè)計(jì)用速度更快的等離子體流將等離子體包裹在立柱中心軸附近。離子體就像在高速公路中間車道上行駛的一輛輛汽車，由于兩側(cè)車道呼嘯而過的車輛高速而密集，因此無法變換車道。與之前的Z箍縮結(jié)構(gòu)相比，這種設(shè)置保持聚變反應(yīng)等離子體被集結(jié)和被壓縮的時間更長。
Zap能源公司的研發(fā)總監(jiān)本?萊維特（Ben Levitt）說：“我們認(rèn)為我們的反應(yīng)堆是最便宜、最緊湊、最可擴(kuò)展的解決方案，也是實(shí)現(xiàn)商業(yè)聚變發(fā)電的最短路徑。”萊維特預(yù)測，到2023年中期，Zap將達(dá)到Q=1的科學(xué)盈虧平衡點(diǎn)，即聚變原子釋放的能量等于創(chuàng)造聚變條件所需的能量。它將成為第一個達(dá)到該點(diǎn)的聚變項(xiàng)目。
由于聚變能源研究長期以來都未能兌現(xiàn)諾言，這類說法值得懷疑。但Zap能源公司在令人生畏的陡峭技術(shù)曲線上迅速攀登，令人印象深刻。這家初創(chuàng)公司成立于2017年，由華盛頓大學(xué)聚變Z箍縮實(shí)驗(yàn)（FuZE）研究團(tuán)隊(duì)派生而來。第二年，該公司就生產(chǎn)了第一次批聚變反應(yīng)產(chǎn)品。在公司成立之前，該大學(xué)團(tuán)隊(duì)曾與美國勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作。獲得了美國能源部的一系列撥款，測試剪切流方法并逐步提高能量級別。迄今為止，該公司已籌集了
4000多萬美
元。
如今實(shí)驗(yàn)已證實(shí)了仿真預(yù)測：當(dāng)Z箍縮電流增強(qiáng)時，等離子體能夠保持穩(wěn)定。新設(shè)備的預(yù)算成本約400萬美元，將脈沖強(qiáng)度從500千安培提高到650千安培以上——在這個近似閾值點(diǎn)，萊維特及其團(tuán)隊(duì)相信將能展現(xiàn)能量盈虧平衡。
“當(dāng)我們不斷注入能量時，等離子體會保持穩(wěn)定嗎？這是一個價值萬億美元的問題，”萊維特說，“我們有大量的高保真模擬表明，物理特征沒有變化，當(dāng)我們達(dá)到更高的內(nèi)在能量時，剪切流機(jī)制仍在起作用。但我們需要證據(jù)，而且我們離這不遠(yuǎn)了。”
現(xiàn)實(shí)世界常常給自信的仿真預(yù)測以哂笑，特別是在等離子體物理現(xiàn)象中，條件的微小變化，也可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性突然出現(xiàn)。即使新的FuZE-Q機(jī)器實(shí)現(xiàn)了科學(xué)盈虧平衡點(diǎn)，但要超過工程上的盈虧平衡，即輸出功率超過產(chǎn)生聚變反應(yīng)所需的功率，還需要未來的機(jī)器產(chǎn)生更高的電流。Zap能源公司希望在2026年實(shí)現(xiàn)這一里程碑。
“幾十年前，就有許多團(tuán)隊(duì)嘗試過Z箍縮法，現(xiàn)在Zap利用剪切流找到了穩(wěn)定Z箍縮的辦法。”前美國海軍核工程師、聚變顧問馬特?莫伊尼漢（Matt Moynihan）說，“在他們測試的條件下這是可行的，很令人興奮，但現(xiàn)在我們需要看看，當(dāng)把功率增加到可從中獲得凈能量時，是否還能保持這種穩(wěn)定性。”
毫無疑問，核聚變正是我們迫切需要的隨時可用的無碳電力來源。但要解決氣候危機(jī)，主流的方法成本太高，進(jìn)展太慢。也許某一天，Zap能源公司的反應(yīng)堆可用于先進(jìn)的太空推進(jìn)。屆時Z-箍縮反應(yīng)堆將安裝在航天器上，反應(yīng)堆的末端開放，噴出高速的等離子體流推動航天器前行。
目前，核聚變動力太空飛行和核聚變能量發(fā)電仍然停留在理論階段，但Zap能源公司已瞄準(zhǔn)了這一目標(biāo)。
