长期以来，可控核聚变都是可望而不可即的一个世界性难题。在教科书上，可控核聚变的“五十年”俨然已经成为大家判断可控核聚变进入商业发电的一个著名“时间标准”，同时，国际热核研究堆（ITER）的研发时间线——2025建成设备，2035开始D-T实验，也似乎印证了“50年”的标准的较为可信。但是，就在全世界都聚焦于ITER和中国热核反应研究堆（2018年启动的国内先进研究堆计划）所使用的托卡马克设计时，2021年来自西半球的一个美国私营企业Helion Energy的一个新闻，在业界悄然掀起了一丝波澜。

据中国电力门户网站-北极星电力网报道：

https://news.bjx.com.cn/html/20210629/1160957.shtml

北极星核电网讯:美国Helion能源公司（Helion Energy）2021年6月22日宣布，其第六台原型聚变发生器Trenta已达到超过1亿℃的高温，成为全球首家实现这一里程碑的私营聚变研究企业。该公司还宣布，Trenta最近已完成为期16个月的测试，在此期间发射了近1万次高功率脉冲。

据Helion能源称，其研发的聚变技术与其他机构研发的技术存在三点区别。第一，Helion能源使用的是脉冲聚变系统，这种系统有助于克服最严峻的物理学挑战，使聚变装置的体积小于其他技术，并能够根据需求调整输出功率。第二，这一系统可以直接生产电力，而其他聚变系统需要将水加热成蒸汽，然后使用蒸汽驱动汽轮机发电，这一过程会造成大量能量损失。第三，Helion能源使用氘和氦-3作为燃料，这有助于进一步缩小聚变装置的体积，并提高效率。

（来源：微信公众号“中核智库”编译自世界核新闻网站  ID：zhzk_cinie  作者：伍浩松 张焰）

这篇文章虽然篇幅不长，但是其震撼性不可谓不大。首先，Helion Energy是一家私营企业，并非是国家投入巨资扶持的国营研究工程，但是却在短短数年内实现了1亿摄氏度的节点指标；其次，根据8月的报道，该公司已经正在建设第7座实验反应堆，建设总量已经堪比一些国家国营研究院的设备总和；最后，则是该公司选择的与众不同的反应堆构型和工作方案，和目前我们熟知的磁约束聚变、惯性约束聚变有着极大的区别。而且该公司更是扬言，要在2025年实现该反应堆的商业运作，这显然是让很多人惊掉了下巴——毕竟，ITER仅仅是要在2025年开始第一次等离子实验而已！

那么，为什么一家美国民营企业要推出如此新奇的核聚变设计呢？传统设计又有哪些难以排除的障碍呢？

当前托卡马克的局限性：无法氚自持、排灰困难、维修量大、发电效率低下

托卡马克设备是如今研究最多，最为“成熟”的核聚变研究设施，中国国内的试验设备已经取得了1亿摄氏度100秒的惊人记录。不过，就算是ITER国际热核聚变研究堆，在设计之初，就已经有多个难以解决的重点障碍尚待克服。

第一就是氚自持问题。我们知道，在氢原子核聚变的反应式中，氚-氘聚变所需要的温度是最低的，也是人类目前目前唯一能够在地球上实现的反应。但是，氚的生产极为困难——传统的氚仅仅在福岛核废水一样的反应堆污水中才能检出，世界上每年也仅有几个反应堆生产出仅够研究的氚，并供不应求。此外，氚作为氢的同位素，在储存时极易泄漏，就算是一大罐氚运输到核聚变电站，也会因为氚的泄漏而不断减少（这点可以参考航天液氢的泄漏速度）。因此，在设计氢弹时，为了绕过昂贵的氚制备和储存过程，科学家选择了锂作为增殖物质，它可以在原子弹释放的中子流下破碎为氚，从而和氘完成核聚变反应。

然而，在实现商业发电的情况下，可不是这么好解决氚供应的问题，毕竟商业运转是需要连续运转几个月不能停机，像核弹头这样一次性生产氚显然是不可能的。为了解决连续提供氚的问题，科学家提出了“氚自持”的概念，也就是说，反应堆点火后，只补充氘，氚则通过锂包层不断地通过中子流击碎锂而生产氚。

以下援引《CFETR氚循环模型和氚自持研究》-潘磊的文章：

“氚自持”容易理解，实践起来却极难。由于核聚变反应堆运转时温度上亿摄氏度，此时所有的运转等离子体必须要在磁场作用下束缚在托卡马克的中央呈环形运转，其他空间保持高度真空，避免高温等离子通过热传导机制而加热空气引发剧烈爆炸，而外部泵入的任何气体要想跨过真空层“挤”入高速旋转的等离子体并成功达到临界浓度，都是异常困难且没有实际验证的事情。所以，就算是ITER，也并没有考虑解决氚自持的事情，只有中国2018年开建的CFTER反应堆设计时考虑转化为商用发电机而考虑了在未来逐步实现氚自持的需求。

第二个就是能量的导出问题。如今，大部分托卡马克的想法仍然是基于核裂变反应堆的理论：将核聚变热通过冷却系统导出，然后驱动热交换器带动汽轮机，进而带动发电机发电。核聚变的发热也是参考了核裂变：第一部分是热辐射加热；第二则是包裹在反应堆外部的液态水，在吸收了核聚变的快中子后发热。可是，核聚变释放的热能虽大，但是通过两重回路后，立即热电效率大幅减弱。

目前，除了美国的“国家点火装置”实现了核聚变产出功率大于投入（即Q＞1）外，所有的国家实际运转的效率都低于1.换句话说，我们如今的“核聚变”实验，它能够发出的能量总和还不如输入的能量多。同时，就算是Q值大于1，考虑到蒸汽-发电的效率通常较差（以核裂变反应堆压水堆运转为例，水液冷不会高于35%；若采用气冷方式或液态金属冷却，则可能达到40%左右），国际原子能机构预计，ITER的Q值必须大于5，才能实现发电能够抵消维持磁场的电力；只有Q值大于30，才能和当代核能的性价比抗衡进入商业发电。

因此，当代核聚变设备显然在发电效率也很不理想。

第三个主要问题就是运转排灰。我们知道，作为连续化发电的设备，托卡马克必须要随时添加燃料和排除“灰烬”。我们知道，核聚变DT反应后会生成中子和氦原子核，中子自然是无法被磁场约束，释放到外部被水层吸收发热，而氦的排除就成了大问题。由于托卡马克的原理是将高温等离子体约束在环空器的真空中运转，避免接触外壳烧毁设备，但生成氦以后，氦累积起来就会减缓反应效率。所以在持续不断地商业运行中，不断地补入氚、氘混合气和排除氦4，是维持正常工况的必要因素。但是，如何将排放的废气导出托卡马克，并降温到可以进行分离的过程，目前研究甚少。同时因为氦4和氘比荷极为接近（氦4带2个质子2个中子，氘带1个质子1个中子），根据洛伦兹力公式，二者在初速度相同情况下，在磁场中运转半径一致，并不好利用磁分离系统分离，只能用液体吸收的方式吸收，这就又带来了降温的问题。一直到2021年7月，英国科学家才首次使用了托卡马克排气降温系统。

https://interestingengineering.com/world-first-tokamak-exhaust-system-paves-way-for-nuclear-fusion

因此，目前托卡马克虽然是各国主要研究的核聚变对象，但是由于有不少缺陷，美国包括Helion Energy等诸多公司（如通用聚变公司和洛克希德·马丁公司等）设计的反应堆都不采用托卡马克。下面，就让我们透过Helion Energy的官网略微了解一下它的创新设计。

Helion Energy 公司的核聚变装置可以概括为“磁镜约束等离子对撞核聚变反应堆”。该反应堆的总体思路是磁镜约束装置、粒子对撞机和等离子发电机三者结合，并采用氦3替代氚，以避免产生中子。

首先，将氘和氦3分别从一侧注入对撞机内。并使用电场加速，在中间猛烈撞击，引发氦3和氘核聚变，生成氢和氦原子核。

然后，由于核聚变将温度剧烈提高，同时因磁场约束等离子体径向扩张，只能沿着轴向两端扩散。此时，由轴向设置的磁流体发电机，根据霍尔效应将高温等离子体的动能转化为电能，同时完成反应物的冷却，冷却完毕的反应物从两端排出反应堆，并再开始下一轮循环。

因此，该反应堆解决了以往托卡马克几个问题：能量转换效率（不再使用水和蒸汽轮机过度，直接用磁流体发电机发电），加料和排气（沿着轴向脉冲加料和排除产物，不再涉及进入环形磁场和环形等离子流），但又带来新的问题：氦3。

氦3是一种地球上几乎不存在的物质，但是却丰盛于月壤之中。不过，从月球开发氦3成本较高，Helion Energy则找到了一个办法：卖反应堆，再靠生产氦3赚钱。

https://news.bjx.com.cn/html/20210802/1167250.shtml

北极星核电网讯:美国聚变能源技术开发商Helion能源公司（Helion Energy）近日在华盛顿州埃弗雷特正式启动其第七座聚变原型堆“北极星”的建设，预计将于2022年初建成。该设施还将用于制造氦-3燃料。

Helion能源表示，正在利用已获得专利的脉冲非点火聚变技术开发一种零碳、经济高效、世界上首座商业上可行的聚变电厂。该聚变发电厂将提供“灵活、可扩展、经济的基荷电力，为世界提供一条实现电力完全脱碳的新途径”。“北极星”将加速这一技术的商业化进程。

Helion表示，其聚变技术与其他技术有三个主要不同：首先，它使用脉冲聚变系统，有助于克服最困难的物理挑战，缩小聚变设备体积，并允许根据需要调整功率输出；其次，该系统可直接获取电能，而其他聚变系统需将水加热以产生蒸汽来推动汽轮机发电，此过程会有大量能量损失；第三，它使用氘和氦-3作为燃料，有助于保持系统的小型化和高效。

（来源：微信公众号“中核智库”编译自世界核新闻网站  ID：zhzk_cinie  作者：张焰 伍浩松）

这个“卖反应堆后靠燃料赚钱”的销售战略，是不是大家都想到了呢？没错，这就是著名的“柯达商业模式”。柯达公司虽然以制造高精度光学镜片出名，但是照相机并非是柯达的主营业务收入，它的利润源泉是柯达相机的专用胶片。

70后到90年代初的朋友都会记得柯达著名的广告词：柯达助你留下美好瞬间，而这背后则蕴藏着柯达创始人乔治·伊士曼的商业野心。柯达创始人在1883年开发出感光胶片技术后，他研究出一种有别于当时依托专业摄影师的商业策略。他首先不断在报纸上宣传“摄影将帮助家庭记录美好生活”，勾起平民摄影爱好者的需求，然后以远低于当时专业相机的价格出售平民相机，引诱百姓购买；接着才是重头戏：柯达的相机必须搭配柯达专用的胶卷使用，而胶卷洗出来照片，则需要柯达公司设在全美的连锁洗相店，通过柯达专用相纸才能洗出“留下美好瞬间”的照片。因此，那些以低价格购入相机的顾客，在未来整个使用过程中，在胶卷和相纸方面支付的价款远远高出相机本身的价格，而这也创造了柯达整个20世纪的伟大辉煌，但在数码相机实现了“不再用胶卷，照片存在电脑和手机”后，柯达帝国轰然倒塌。

而如今，Helion Energy “卖反应堆搭配专用燃料”，正是对柯达商业模式的最忠实的模仿，其本质并非是为使用者带来“取之不尽用之不竭的新能源”，而是靠控制“氦3生产”这独一无二的能源，来牢牢地拴住客户的心，迫使他们一辈子为了运转反应堆而持续不断购买他们生产的燃料。这才是他们大力推广该技术，甚至宣传“2025投入商用”背后的实际目的。