近日，美國公司 TAE Technologies（下稱 TAE 公司）稱找到一種比託卡馬克更簡單、更高效的方法來建造商用反應堆，日前相關論文發表於 Nature Communications。TAE 公司的 CEO 米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）表示：“這一里程碑式的成果極大地加快了 TAE 公司邁向商業氫硼核聚變的程序，這種核聚變將為子孫後代提供一種安全、清潔且幾乎取之不盡的能源。”
（來源：TAE 公司）
該技術讓反應堆能夠自行產生約束場，無需使用大型磁線圈和其他系統，即便使用更小、更簡單的裝置也能顯著提高反應堆的效能和效率，這將有望降低商用聚變發電廠的建設成本和建造難度。
（來源：TAE 公司）
據介紹，本次技術的原理在於摒棄了環形磁場，轉而採用基於場反轉配置（FRC，field-reversed configuration）原理的線性磁場。本質上，場反轉配置可以使等離子體自行產生磁約束場，同時無需龐大的磁線圈。在將氫的高能離子加速並賦予其電中性電荷後，這些離子會以離子束的形式被注入到等離子體中。當束流粒子與等離子體碰撞時，粒子會重新電離，而碰撞產生的能量則用於加熱等離子體。
圖 | 相關論文（來源：資料圖）
巧妙之處在於，這會在等離子體中形成環形電流。隨著這些作用的增強，最初用於約束等離子體的磁場會發生反轉，此時等離子體開始生成自約束磁場。這種磁場可被即時調控，既能維持穩定性，又能按需調整壓力引數。根據 TAE 公司的說法，在相同的磁場強度和等離子體體積下，場反轉配置反應堆的聚變功率輸出可達託卡馬克的 100 倍。這使得線性反應器的設計變得出奇地簡單，建造成本和運營成本也更低。
（來源：資料圖）
TAE 公司表示，透過使用一套新的中性束注入系統，他們已改進了之前的實驗反應堆，縮小了裝置的尺寸和複雜性。此外，場反轉配置允許反應堆以質子–硼無中子聚變的方式執行。這其實是一種聚變反應，能將氫原子核和硼-11 原子進行聚變，而不是將氫的兩種同位素氘和氚進行聚變。同時，它也被稱為是無中子反應，因為該反應不產生中子，而是產生三個α粒子（氦-4 原子核）以及大量能量。
這一點可謂頗具吸引力，因為中子數量越少，對反應堆造成的損害就越小，以帶電粒子形式釋放的能量也更容易利用，所需的防護層也更少，而且硼-11 相對豐富並且沒有放射性。
與此同時，TAE 公司的新裝置僅使用中性束注入來產生高溫、穩定的場反轉配置等離子體，從而使裝置的尺寸、複雜性和成本降低多達 50%，並優化了成本競爭力和商業可行性。在以往的場反轉配置中，需要複雜的等離子體形成部分（裝置兩端的長石英管）和超聲碰撞來產生場反轉配置等離子體，而 TAE 的純中性束注入方案則能直接在裝置中心產生、加熱並穩定場反轉配置等離子體。
該公司將此次新型反應堆稱為“Norm”，其名稱源自於上一代 Norman。相比之下，Norm 顯著縮短了軸向長度，這是因為新的場反轉配置系統使得工程師們能夠棄用反應室兩端的長石英管（這些石英管原本是在等離子體注入過程中透過超音速碰撞來產生等離子體的）。這讓 Norm 不僅重新整理了 TAE 公司的穩態等離子體效能紀錄，更為 TAE 公司下一代反應堆原型機“哥白尼”的驗證奠定了基礎。
圖 | 從 Norman 到 Norm（來源：TAE 公司）
也就是說，透過 Norm 所產生的資料將用於指導 TAE 公司下一座反應堆“哥白尼”的建設，在“哥白尼”反應堆之後則是“達芬奇”，它們都是 TAE 的商業原型反應堆，預計將在未來十年投入使用。
“有了 Norm 裝置，我們已經攻克了場反轉配置餘下的複雜難題，並且透過 Norm 的成功執行，TAE 公司已經在很大程度上降低了‘哥白尼’專案的風險，”TAE 公司的 CEO 米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）說。他還表示：“僅依靠中性束注入（NBI，Neutral Beam Injection）所取得的成果是 TAE 公司核聚變研發的一個轉折點，為簡化型裝置規劃了一條道路，直接解決了成本、效率和可靠性這些商業關鍵指標問題。”
TAE 首席科學官田島敏木（Toshiki Tajima）則補充稱：“僅使用中性束注入的方法在幾十年前的許多實驗中已有嘗試，但均未成功。正是 TAE 公司在中性束、電源和即時主動反饋控制方面的關鍵創新為這一突破鋪平了道路，我們現已證明僅使用中性束注入的場反轉配置形成技術不僅能降低系統複雜性和成本，還能提高等離子體穩定性和整體機器效能。”
圖 | Norm（來源：TAE 公司）
據瞭解，我們熟悉的外形像甜甜圈的託卡馬克裝置，最初由同為前蘇聯科學家兼諾獎得主的伊戈爾·塔姆（Igor Tamm）和安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）於 20 世紀 50 年代提出，託卡馬克利用環形磁場約束氫等離子體，使其維持類似太陽的高壓與高溫，從而觸發核聚變反應。經過幾十年的發展，託卡馬克裝置的設計已經變得龐大無比，需要使用巨大且複雜的超導磁線圈來產生約束磁場，同時還需要同樣複雜且龐大的電磁加熱系統，以至於最大的託卡馬克裝置重達 23000 噸，並且距離實用化仍有很長的路要走。作為核聚變電站的主流設計方案，託卡馬克反應堆如今就像一場“失控的房屋擴建工程”，所耗費的時間和資金遠超最初預算，甚至讓人後悔當初為什麼要啟動它。而自 20 世紀 50 年代以來，實用核聚變能源始終被視為是一個“再過 25 年就能實現”的目標，TAE 公司的這些突破性進展表明，這一願景可能會在未來十年內成為現實。
另據悉，TAE 公司成立於 1998 年。多年來這家公司一直處於隱身模式，直到 2015 年才推出自己的網站，其目標是在 2030 年前製造出商用聚變反應堆的原型。它的主要融資來自高盛公司、微軟聯合創始人保羅·艾倫（Paul Allen）的 Vulcan Inc.、洛克菲勒家族的文洛克創投和美國風險資本家理查德·克拉姆裡克（Richard Kramlich）的恩頤投資等。
如前所述，Norm 的上一代是 Norman，這一命名來自於TAE 公司聯合創始人之一加拿大等離子體物理學家諾曼·羅斯托克（Norman Rostoker）的名字。1925 年諾曼出生於加拿大，後於 2014 年去世。早年，他先後在加拿大多倫多大學和美國卡內基理工學院獲得碩士學位和博士學位。畢業之後，他陸續在 Armor Research Foundation、通用原子公司、美國加利福尼亞大學聖地亞哥分校、美國康奈爾大學和美國加利福尼亞大學爾灣分校等機構和高校任職。正是在加利福尼亞大學爾灣分校任職期間，目前擔任 TAE 公司 CEO 的米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）成為了諾曼的學生。
圖 | 從左到右：TAE 公司的聯合創始人之一諾曼·羅斯托克（Norman Rostoker）、目前擔任 TAE 公司 CEO 的米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）（來源：TAE 公司）
據 TAE 公司介紹，米歇爾是該公司在聚變能源、電源管理和粒子加速器領域的多項技術的共同發明人。在 2018 年之前他擔任 TAE 公司的 CTO，在擔任 CTO 期間米歇爾牽頭與谷歌建立了合作關係，將機器學習和 AI 技術用於聚變研究。2014 年，TAE 與谷歌共同開發了“驗光師演算法”，該演算法透過融合人類智慧與計算機算力，使 TAE 公司的聚變能源研發效率得到指數級提升。按照計劃，TAE 公司的“哥白尼”反應堆原型將在 2030 年前驗證其粒子束驅動場反轉配置技術實現淨能量增益的可行性，而該公司的首座示範性聚變電站“達芬奇”則將於 2030 年代初期建成投運。
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-58849-5
https://en.wikipedia.org/wiki/TAE_Technologies
https://tae.com/leadership/
排版：溪樹