隨著數(shù)據(jù)中心等 AI 基礎(chǔ)設(shè)施的用電需求爆炸性地增長，人類迫切需要一種清潔、可靠、高效的能源解決方案。
在這樣的背景下，核聚變技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。近年來，該領(lǐng)域吸引了數(shù)十億美元的私人投資，反映出投資機構(gòu)對這一革命性能源技術(shù)的信心。
近日，美國初創(chuàng)公司 Acceleron Fusion 宣布完成 2400 萬美元 A 輪融資，這筆資金將用于開發(fā)其反應(yīng)堆核心部件的原型。
與傳統(tǒng)核聚變方式不同，該公司采用了一種被稱為“μ 子催化核聚變”的創(chuàng)新技術(shù)，這項技術(shù)最早可以追溯到 20 世紀(jì) 50 年代。
圖｜部分員工在質(zhì)子加速器旁拍照（來源：Acceleron Fusion）
阿拉克奈恩（Ara Knaian）和塞斯紐伯格（Seth Newburg）是該公司的兩位聯(lián)合創(chuàng)始人，憑借敏銳的洞察力，他們重新審視了這項曾經(jīng)被擱置的技術(shù)。
克奈恩是一位電氣工程師，同時也是公司的 CEO，擁有美國麻省理工學(xué)院的電氣工程博士學(xué)位。而紐伯格則擁有麻省理工學(xué)院機械工程學(xué)士學(xué)位和美國波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程博士學(xué)位。
他們最初在自己創(chuàng)立的產(chǎn)品設(shè)計咨詢公司 NK Labs 開始了這項研究，并于 2020 年獲得了來自美國能源部高級研究計劃局 200 萬美元的資助。
隨后，正式成立了 Acceleron Fusion，其總部位于美國馬薩諸塞州劍橋市。
μ 子催化核聚變的原理令人著迷。μ 子是一種與電子屬于同一家族的亞原子粒子，但質(zhì)量是電子的約 200 倍。
在自然界中，這種粒子會在宇宙射線撞擊地球外圍大氣時產(chǎn)生，但也可以通過粒子加速器人工制造。
當(dāng) μ 子束轟擊核燃料時，μ 子會取代燃料原子中的電子。由于 μ 子質(zhì)量更大，這種替代會使氫分子中的化學(xué)鍵長度縮短到原來的約 0.5%。
這種顯著的距離縮短使得原子核之間足夠接近，強核力便會發(fā)揮作用，促使原子核結(jié)合，從而釋放出巨大的能量。
這種方法最大的優(yōu)勢在于，其運行溫度遠低于傳統(tǒng)的核聚變方式。
值得關(guān)注的是，Acceleron Fusion 的反應(yīng)堆運行溫度僅需 1000℃ 以下，而傳統(tǒng)的磁約束或慣性約束聚變則需要數(shù)百萬度以上的超高溫度。
（來源：Acceleron Fusion）
這意味著，他們無需使用復(fù)雜且耗能的強大磁體或激光系統(tǒng)來約束等離子體。這種技術(shù)簡化不僅降低了工程復(fù)雜度，還為設(shè)計帶來了更大的靈活性。
目前，該公司已在瑞士維利根保羅謝勒研究所的測試設(shè)施中，實現(xiàn)了 100 小時的持續(xù)聚變。
此外，他們還與美國費米實驗室、美國橡樹嶺國家實驗室、美國阿貢國家實驗室以及多所大學(xué)建立了合作關(guān)系。
雖然這些實驗主要是為了收集數(shù)據(jù)，而不是產(chǎn)生可用的（凈）能量，但這標(biāo)志著一個重要的技術(shù)里程碑。
特別是在 2024 年 10 月，Acceleron Fusion 公司在比以往更高的壓力下，成功運行了聚變裝置。
然而，這項技術(shù)仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
麻省理工學(xué)院專攻核聚變能源的丹尼斯懷特（Dennis Whyte）教授指出，與其他核聚變方法相比，μ 子催化聚變最大的障礙在于反應(yīng)速率的基礎(chǔ)物理問題。
μ 子的壽命僅有 2.2 微秒，且在約 1% 的情況下會粘附在聚變反應(yīng)產(chǎn)生的其他粒子上，這使得每個 μ 子通常只能參與約 100 次聚變反應(yīng)。
1986 年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室創(chuàng)下了每個 μ 子參與約 150 次聚變反應(yīng)的記錄，但這個數(shù)字仍然不足以實現(xiàn)能量的“收支平衡”。
（來源：Acceleron Fusion）
為了克服這些挑戰(zhàn)，Acceleron Fusion 正在多個方面進行創(chuàng)新。
首先，他們致力于降低產(chǎn)生 μ 子所需的能量。
克奈恩指出，其加速器的效率已從 20 世紀(jì) 80 年代的約 20% 提高到了現(xiàn)在的 50%，美國能源部更是將下一代加速器的目標(biāo)效率定在 75%。
其次，他們設(shè)計了一種新型 μ 子源。
該公司的計算機模擬表明，在目標(biāo)內(nèi)部感應(yīng)電場和磁場可以幫助更有效地收集和聚焦粒子。
同時，研究人員還試圖通過將燃料在金剛石砧中壓縮到 1 萬到 10 萬磅力/平方英寸（PSI，Pounds per square inch）之間（遠高于之前的實驗），來增加每個 μ 子發(fā)生的聚變反應(yīng)數(shù)量。
從經(jīng)濟角度來看，Acceleron Fusion 的目標(biāo)是將平準(zhǔn)化電力成本降至 0.025 美元/千瓦時，低于目前天然氣的 0.037 美元/千瓦時。如果成功，這將是一場真正的能源革命。
不過，在實現(xiàn)能量盈余之后，商業(yè)化核聚變電站還需要產(chǎn)生至少五倍于輸入能量的輸出才具有實用價值。
這對 μ 子催化聚變來說更是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為與磁約束方法相比，它暫時還無法像等離子體那樣達到自熱和自持續(xù)狀態(tài)。
在全球數(shù)據(jù)中心能耗激增、清潔能源需求迫切的今天，核聚變能源的重要性不言而喻。
盡管通往商業(yè)化的道路仍然漫長，但核聚變研究從不是徒勞的，無論是否走得通，它總能推動我們的科學(xué)和技術(shù)能力達到新的高度，為后人所用。
參考資料：
https://spectrum.ieee.org/assessing-the-impact-of-ev-smart-charging-on-grid-response
https://collabfund.com/blog/acceleron-fusion-muon-catalyzed-nuclear-fusion/
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