普林斯顿研究人员找到实现聚变点火的低能耗方案

一套全新的核聚变模型，有望找到一种能量效率显著更高的聚变实现方式，颠覆我们此前对聚变过程的固有认知。普林斯顿研究团队的模拟结果，还颠覆了受控聚变实验中调控与维持等离子体的传统操作顺序。传统聚变流程是先压缩等离子体以提升密度，再将其加热至超高温。但美国能源部下属普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的新模拟表明，颠倒这一操作顺序，可以大幅降低实现点火所需的能量输入。

这项发现意义重大。点火指聚变实验产出的能量大于消耗的能量。迄今为止，这仍是在地球上复刻太阳供能机制 —— 核聚变，所面临最大、最难攻克的挑战。人类首次成功实现点火，是 2022 年在加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室完成的。尽管该成果已被重复验证，也出现过多次点火案例，但整个行业距离产出足量净能量、走向实际商用，还有非常遥远的距离。

如果能掌握可规模化商用核聚变的核心技术，全球大部分能源难题几乎可以在一夜之间得到缓解。聚变能是近乎无限的清洁能源，不会产生核裂变那种具有放射性的危险乏燃料，因此被视作清洁能源领域的 “圣杯”。这也是为什么即便目前只是纯理论成果，找到能效更高的点火路径依然备受关注。

但普林斯顿等离子体物理实验室团队的发现，不只是找到了降低聚变实现难度的办法；他们同时发现了一个会让聚变难度急剧上升的因素，这很可能成为众多核聚变实验项目与创业公司推进商用聚变的重大阻碍。研究团队发现，聚变过程中只要混入极微量的钨元素 —— 等离子体中钨的占比仅万分之一，就会让点火所需压力翻倍，给装置效率与稳定性带来严重问题。

这一点对于许多下一代聚变实验装置至关重要，这类反应堆的设计都采用钨作为内壁材料。《趣味工程》报道称：“十余台下一代聚变装置都选用钨作为内壁材料，因为这种金属可以承受极高温度。” 一旦极少量钨进入等离子体，聚变实现难度会迅速飙升，甚至造成实验装置失稳。

如今提前发现这一风险，有助于后续避免大量能源与资金浪费。好消息是，采用钨内壁的反应堆并不需要废弃，只需要在内壁施加涂层，例如采用液态锂涂层，就能防止钨污染等离子体。

普林斯顿等离子体物理实验室物理学家乔纳森・梅纳德接受《趣味工程》采访时表示：“尽管还需要更多研究，但我们对这些结果感到振奋，它们为该领域后续研究指明了清晰方向。”

看好聚变研究及其颠覆性潜力的机构远不止普林斯顿等离子体物理实验室。过去百年间，聚变领域参与者寥寥，进展缓慢艰难；如今随着投资者关注到该领域加速涌现的技术突破，叠加人工智能热潮让风投资金大量流入各类替代能源赛道，核聚变行业正迎来爆发式增长。大量初创企业涌入该领域，竞争加剧，创新速度也随之加快。

科技行业不少巨头与资本大佬都深度参与到蓬勃发展的聚变行业。微软创始人比尔・盖茨、OpenAI 的山姆・奥尔特曼都公开支持核聚变研究并为之出资。他们将聚变视为应对 AI 数据中心大规模扩张带来巨大能源需求的关键方案。奥尔特曼坦言，如果维持现有发展模式，全球能源根本无法支撑科技行业的增长预期。

2024 年在瑞士达沃斯世界经济论坛上，他说：“没有技术突破，我们根本无法达成目标。这也促使我们加大对聚变领域的投资。”