一家预算有限的核聚变初创公司希望通过复兴一项被搁置了半个世纪的技术，实现对更成熟公司的弯道超车。
这家名为 Terra Fusion 的初创公司总部位于巴尔的摩，正在开发一种采用相对简单方法——磁镜——来约束高温等离子体的反应堆，等离子体正是聚变反应发生的环境。该公司正在马里兰大学的一台实验反应堆上测试这一策略，该反应堆是用二手 MRI 扫描仪的零件和改装过的酿酒设备搭建而成的。
Terra Fusion 首席执行官卡洛斯·罗梅罗-塔拉马斯表示，公司的目标是最终以远低于竞争系统的成本，找到通向商业聚变的路径。为此，公司正在开发一台功率更强的概念验证装置，目标是超越科学盈亏平衡点，即反应堆产生的能量超过用于加热和约束其内部等离子体所消耗的能量。
这是实现最终目标——产生可用量的无碳能源——的关键一步。全球有超过50家聚变公司正朝着这一目标努力，过去一年中，它们吸引了创纪录的45亿美元新增资金，首次超过了政府在该技术上的支出。
这些资金中的大部分流向了那些正在研发看似最接近盈亏平衡技术的大型机构，包括巨型环形托卡马克和脉冲激光系统。但这并不意味着尝试不同方法已经太迟，亨茨维尔阿拉巴马大学机械与航空航天工程教授、多家聚变初创公司顾问贾森·卡西布里表示。
“磁镜的优势在于简单，”他说。“如果一个国家或公司想要成为第一个实现最高功率密度的，他们可能会选择托卡马克。但如果他们想要一个建造成本更低、维护更容易的方案，他们可能会选择磁镜概念。”
Terra Fusion 现在正与主流竞争对手展开一场竞赛，力图率先展示出这种低成本反应堆。
磁镜如何约束等离子体
建造核聚变反应堆，本质上是试图将驱动太阳的同一种反应装入瓶中。恒星内部巨大的引力促使氢原子核聚变成氦，并在此过程中释放出大量能量。要在地球上的反应堆中缩小实现这一过程，需要用磁场约束极高温的等离子体，或压缩加热装满燃料（通常是氘和氚）的靶丸。数十年推动磁体、激光和材料技术极限的聚变实验，已经表明这有多么困难。
磁镜是一种天然或人造磁场的特定配置，能够长时间捕获高能粒子。例如，地球的范艾伦辐射带中就存在磁镜，它能捕获来自太阳的电子和质子长达数年，对在1000至60000公里高度之间飞行的航天器和宇航员构成危险。
冷战期间，研究人员在真空腔两端使用传统电磁线圈来在地球上形成磁镜。他们希望这种磁镜能将等离子体中的氢原子核约束足够长的时间，使其被加热到发生聚变的程度。
但那些努力失败了。等离子体被证明是不稳定的，磁镜也存在泄漏，导致高能粒子逃逸。1986年，世界上最大、最昂贵的磁镜反应堆在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建成的第二天就被封存，磁镜技术看起来走进了死胡同。巨大的环形托卡马克似乎提供了一条更平顺的通往聚变盈亏平衡的道路。
但一些磁镜研究仍在零星进行。在马里兰大学，工程师们对早期实验产生了兴趣，这些实验表明，如果等离子体以超音速旋转，磁镜策略可能奏效。这可以稳定等离子体并减少泄漏。从2004年到2010年，当时还是研究生的罗梅罗-塔拉马斯和其他研究人员操作了这种名为马里兰离心实验装置的反应堆，取得了一些令人印象深刻的结果。
“仅用几兆瓦的输入功率，我们就获得了与利弗莫尔托卡马克（使用数百兆瓦）相似的（温度）结果，”他说。
聚变初创公司寻求盈亏平衡功率
2010年，马里兰大学申请了美国能源部对一台更大磁镜装置的资助，但未获成功。当时托卡马克正处于风口，尤其是由中国、欧盟、印度、日本、俄罗斯、韩国和美国共同研发的庞大 ITER 反应堆。
直到2020年，已是副教授的罗梅罗-塔拉马斯才获得了一笔重要资助：来自美国联邦政府先进研究计划局-能源部（ARPA-E）的520万美元拨款。这笔资金相较于美国已在 ITER 上投入的超过15亿美元（如今接近30亿美元）而言微不足道，但如果罗梅罗-塔拉马斯精打细算，足以建造一台代号为“离心磁镜聚变实验装置”（CMFX）的反应堆。
与许多聚变反应堆一样，CMFX 最昂贵的部件是超导磁体。罗梅罗-塔拉马斯没有购买全新磁体，而是从两台飞利浦医用 MRI 扫描仪上拆解回收，剥离掉扫描仪的病床、扫描线圈和塑料外壳。他还把玻璃啤酒瓶改装成绝缘体，并从空军研究实验室获得了一些捐赠设备。马里兰航天资助联盟出资聘请暑期实习生参与该项目。
尽管这些扫描仪磁体能够产生 CMFX 所需的强达3特斯拉的磁场，但其为容纳人体患者而设计的腔体比罗梅罗-塔拉马斯原计划的要大，这迫使他对反应堆进行了重新设计。
在 CMFX 反应堆内部，旋转开始时（左上图），等离子体温度相对较低，亮度较高。随着等离子体以超音速旋转，它开始升温（右上图）。当等离子体达到最高温度（约1000万开尔文）时，相机几乎无法捕捉到任何光（下图）。
研究团队设计的 CMFX 在真空腔内、两个磁镜之间设有一根中央电极，其工作电压与输电线路相近。电场与磁场的相互作用驱动氘离子等离子体以超过每秒一百万米的速度绕电极旋转，产生的离心力与等离子体压力和磁压力相平衡。等离子体旋转得越快，燃烧得就越紧凑、越炽热。
去年发表的研究结果证实，旋转等离子体能够抑制最严重的不稳定性，减少粒子损失，并有助于加热等离子体。在最佳状态下，CMFX 在温度、密度和等离子体约束时间这三项指标上，均达到了热核聚变所需数值的约十分之一。
“你可能会说，等等，你距离盈亏平衡还差一千倍呢，”罗梅罗-塔拉马斯说。“但这已经是巨大的成就了。这台机器的表现完全符合我们的设计预期，而在等离子体物理领域，通常情况是一切都会出岔子，这种情况非常罕见。”
最终，那些超大孔径的 MRI 磁体反而帮了忙，因为更大的真空腔使控制等离子体中的杂质变得更容易。2024年，罗梅罗-塔拉马斯有了足够的信心，从大学休假创办了 Terra Fusion。
Terra Fusion 的反应堆可扩展吗？
卡西布里表示，这家年轻的公司是近期磁镜技术重新兴起的一部分。“磁镜似乎正处于上升期。新的概念不断涌现，因为要详细分析它们，需要非常强大的计算模型，而我们现在正好拥有了这些工具，”他说。
如今已有总部位于印度和瑞典的磁镜初创公司，以及美国另一家由 ARPA-E 资助的大学衍生公司：Realta Fusion，它脱胎于威斯康星大学麦迪逊分校的 WHAM 反应堆。WHAM 获得的1000万美元联邦资助规模更大，足以定制两台使用高温超导带材、能产生高达17特斯拉磁场的磁体。
由于强大的磁场承担了大部分约束工作，WHAM（全称为“威斯康星高温超导轴对称磁镜”）只需要将等离子体旋转到刚好足以避免不稳定性的程度。这意味着 Realta 可以避免像 Terra Fusion 那样在反应堆的燃烧核心放置电极。“那东西在发电厂里会被磨损殆尽，”Realta 首席科学官德里克·萨瑟兰说。“我们认为我们的方案风险要低得多。”
Terra Fusion 的第一个里程碑，是建造一台名为 TFEC-1（Terra Fusion Energy Corporation 1）的概念验证反应堆，采用10特斯拉磁体和电压是 CMFX 十倍的导体。TFEC-1 计划在2029年实现盈亏平衡的雄心勃勃时间表，与资金更充裕的竞争对手如 Commonwealth Fusion Systems 和 Helion Energy 相近。
罗梅罗-塔拉马斯表示，Terra Fusion 的优势在于其离心磁镜反应堆的建造成本会低得多。“我们的机器要简单得多，从工程角度来看也直接得多，”他说。
例如，Terra Fusion 将放弃使用需要冷却到接近绝对零度的最新高温超导磁体，而是采用更成熟、供应商更多、成本更低的旧技术。该公司的下一步是建造一台生产原型机。
卡西布里认为，Realta 和 Terra Fusion 的磁镜方案都显示出前景。“很可能按照这种扩展规律，约束和稳定性会一直保持到盈亏平衡点，”他说。“但每当你真正动手建造一样东西时，总会让人变得谦逊，因为总有一些你没预料到的物理现象会冒出来。”
最终，Terra Fusion 希望能在2030年代中期出售小型模块化聚变反应堆，产生高达100兆瓦的功率，为数据中心、货运船只和航天器供电。Realta 的目标是在类似时间框架内推出一台50兆瓦的反应堆，用于需要高强度热量的工业过程，如混凝土和钢铁生产。
与此同时，罗梅罗-塔拉马斯表示，Terra Fusion 的演示反应堆可用于生产有价值的医用同位素，或作为为竞争对手开发耐中子材料的测试平台。他的团队正在开发的能够承受反应堆恶劣环境的导体，也可以转化为工业电弧炉中更高效、更耐用的电极，从而有可能开辟另一条收入来源。
“如果我认为有更好的机器或更好的概念值得研究，我现在就会去做那个，”罗梅罗-塔拉马斯说。“但我真心认为，这就是实现可扩展净能量输出的道路。”
Q&A
Q1：Terra Fusion 的磁镜反应堆是什么？
A：Terra Fusion 开发的是一种采用磁镜方法约束高温等离子体的核聚变反应堆，通过让等离子体以超音速旋转来实现稳定约束，其实验反应堆部分零件来自二手 MRI 扫描仪和改装的酿酒设备。
Q2：磁镜技术和托卡马克有什么区别？
A：磁镜结构更简单、建造成本更低、维护更容易，但功率密度不如托卡马克。托卡马克适合追求最高功率密度的机构，而磁镜适合希望降低成本和工程复杂度的团队。
Q3：Terra Fusion 什么时候能实现盈亏平衡？
A：公司计划在2029年通过概念验证反应堆 TFEC-1 实现科学盈亏平衡，这一时间表与 Commonwealth Fusion Systems、Helion Energy 等资金更充裕的竞争对手相近。
