關(guān)于聚變能的五大理念

在核聚變反應堆商業(yè)化的過程中

創(chuàng)業(yè)公司、大學和大型企業(yè)百舸爭流━━━━有一個笑話和笑話里的夢想存在了同樣長的時間：距核聚變能的實現(xiàn)還有30年……總是還有30年。80多年以前，澳大利亞物理學家馬克?奧利芬特（Mark Oliphant）首次觀察到氘原子聚變并釋放出大量能量，如今終于到了更新這個笑話時間的時候了。 在過去的幾年里，擁有令人欽佩的員工且資金充足的初創(chuàng)公司、大學項目團隊和大公司工程團隊等20多個研究小組，在受控核聚變方面取得了令人驚嘆的巨大進展。他們正在建造的聚變反應堆完全不同于傳統(tǒng)設計，向采用托卡馬克（一種巨大的環(huán)形磁性容器裝置）和高能激光的主流核聚變方法提出了挑戰(zhàn)。 更重要的是，其中一些小組還預測，核聚變將在未來5年內(nèi)達到重要的里程碑，例如達到盈虧平衡點，即產(chǎn)生的能量超過用于引發(fā)反應的能量。而采用傳統(tǒng)托卡馬克裝置和高能激光方法的主流項目已經(jīng)苦干了幾十年，花費了數(shù)十億美元都沒有達到盈虧平衡，這么短的時間著實令人震撼。 在美國馬薩諸塞州劍橋市，附屬于麻省理工學院的聯(lián)邦聚變系統(tǒng)的相關(guān)研究人員表示，最新設計反應堆有望在2025年之前實現(xiàn)盈虧平衡。在英國，牛津大學旗下的黎明核聚變公司（First Light Fusion）聲稱將在2024年實現(xiàn)盈虧平衡。在南加州，初創(chuàng)公司TAE技術(shù)發(fā)布了一項機器野心勃勃的五年計劃，將其聚變反應堆商業(yè)化。 這是一種非理性繁榮嗎？也許是。核聚變是最昂貴的研究項目之一，需要大量的現(xiàn)金投入來支撐實驗室的電費。在尋求投資的過程中，夸大未來的成就具有很強的誘惑力。在過去，人們一再地對突破充滿期望，卻一再地失望。而如今已經(jīng)出現(xiàn)了變化，高速計算、材料科學及建模和仿真領(lǐng)域的發(fā)展正在幫助研究人員克服曾經(jīng)難以突破的技術(shù)障礙，大量資金正流入這一領(lǐng)域。 一些新的聚變項目正在使用最新一代的超級計算機，以更好地理解和調(diào)整超高溫等離子體。在超高溫等離子體中，氫原子核聚變形成氦。一些聚變項目則重新開啟具有潛力但被擱置了幾十年的研究路線。還有一些公司正在開發(fā)新型超導體，或者將主流概念融合到一起。

雖然他們有強大的工具和創(chuàng)新方法，但許多投資都將面臨失敗。不過，即便只有一家能成功地建造一個可以有效發(fā)電的反應堆，也將從根本上改變?nèi)祟愇拿鞯倪M程。在理論上，聚變反應中最常用的氫同位素，只需1克即可產(chǎn)生與11噸煤相同的能量，而氦是唯一的副產(chǎn)品。

隨著氣候變化的加劇和電力需求的激增，核聚變有望成為一種零碳、低廢物的電力來源，這種電力相對清潔，不存在熔毀或武器化風險。這種充滿誘惑的可能性讓核聚變夢想延續(xù)了幾十年。在這些斗志昂揚的初創(chuàng)公司中，能有一家最終成功將核聚變變?yōu)楝F(xiàn)實嗎？━━━━在不久前，核聚變能源的前景還相當黯淡，兩個最大的工程項目似乎都陷入了停滯。2016年，美國能源部（DOE）承認其耗資35億美元的國家點火裝置（NIF）未能實現(xiàn)用激光“點燃”自穩(wěn)聚變反應的目標。美國能源部的一份報告建議，NIF研究應該從激光點火轉(zhuǎn)變?yōu)榇_定這種點火的可行性。 同年，美國和其他幾個國家的政府開始爭論是否停止對國際熱核聚變實驗堆（ITER）的支持。ITER概念于1985年首次被提出，目前正在法國南部建設的ITER是世界上最大的核聚變實驗設施。該設施采用托卡馬克裝置，利用磁力來限制并封閉啟動和維持聚變所需的極熱的高能等離子體。但該項目一直受到拖期和成本超支的困擾，目前其投資額已達到最初50億美元預算的5倍，完工時間將推遲到2035年（即使能夠如期建成，按照現(xiàn)行的設計，電廠商業(yè)化也還要再過幾十年）。NIF和ITER的挫折和巨額開支不僅使資金枯竭，也耗盡了該領(lǐng)域的熱情。 隨著政府支持大型項目的失敗，非主流的聚變能源研究逐漸獲得了動力。從事這些新研究的人希望這些規(guī)模更小的新穎方法能夠加速過去幾十年的長期探索。此后，投資者注意到了這一點并將大量資金投入該領(lǐng)域。在過去的5年里，私人資本已經(jīng)向小型聚變能源公司注入了大約15億美元。亞馬遜的杰夫?貝佐斯、微軟的比爾?蓋茨和風險投資家彼得?泰爾都在核聚變領(lǐng)域下了重注。洛克希德?馬丁公司等大型企業(yè)已經(jīng)啟動了自己的小型核聚變項目。 物理學博士杰西?特雷烏（Jesse Treu）職業(yè)生涯的大部分時間都花在了投資生物技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)上，他說他在2016年意識到：“聚變能源領(lǐng)域開始出現(xiàn)美妙的發(fā)展前景，但資金卻跟不上。很明顯，私募股權(quán)和風險投資是發(fā)展這項技術(shù)的一種解決方案，這顯然是對地球最好的能源解決方案?！彼c人共同創(chuàng)立了恒星能源基金會，將核聚變研究人員與資金投入聯(lián)系起來，并提供支持和倡導。 公共資金也已經(jīng)開始隨著私人資金涌入這一行業(yè)：在過去的數(shù)十年里，美國能源部將大部分非國防核聚變撥款投向ITER，而現(xiàn)在，它正將部分資金投向主流研究邊緣的項目。例如，2020財年聯(lián)邦預算增加1.07億美元用于核聚變項目，另外一個研究伙伴計劃允許小型企業(yè)在美國能源部的國家實驗室進行大型實驗。

美國政府重新對核能產(chǎn)生興趣，部分原因是希望跟上中國的步伐所做的權(quán)衡需求。最近，中國在暫停了3年之后重新啟動了聚變能源項目。中國政府計劃2020年在四川省開啟一個新的聚變反應堆。同時，中國新奧能源控股有限公司一直在投資海外研究項目，并在美國頂尖科學家的幫助下，在中國中部地區(qū)建造一座普林斯頓聚變系統(tǒng)緊湊反應堆。

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對于這些活動和投資來說，核聚變發(fā)電仍然是一個棘手的問題。 與核裂變不同，核裂變是將一個大而不穩(wěn)定的原子核分裂成更小的元素，而聚變反應則是輕量元素（通常是氫）的原子核與足夠大的力發(fā)生碰撞，聚變并形成一個重元素。在這一過程中，一些質(zhì)量被釋放并轉(zhuǎn)換成能量，也就是愛因斯坦著名的公式：E = mc2。 在我們的宇宙中存在著豐富的聚變能量——太陽和其他穩(wěn)定的恒星的能量都來自熱核聚變，但觸發(fā)和控制一個自穩(wěn)聚變反應并利用其發(fā)電，這可以說是人類嘗試過的最難的工程挑戰(zhàn)。 要融合氫原子核，地面上的反應堆設計者要設法克服帶正電離子的相互排斥（庫侖力），并通過所謂的強核力將它們緊密地捆綁在一起。大多數(shù)方法是利用高溫，比太陽核心溫度1500萬攝氏度還高出幾個數(shù)量級，在這種狀態(tài)下，物質(zhì)只能以等離子態(tài)存在，脫離原子核的電子在氣體云中自由游蕩。 但高能量密度等離子體非常不穩(wěn)定且難以控制。它會蠕動翻滾，試圖掙脫束縛，遷移到容納它的場的邊緣，然后迅速冷卻并消散。聚變能的大部分挑戰(zhàn)都與等離子體有關(guān)：如何加熱、如何容納、如何成型和如何控制等。解決挑戰(zhàn)的兩種主流方法是磁約束和慣性約束。ITER這樣的磁約束反應堆試圖通過強大的磁場將等離子體穩(wěn)定在托卡馬克裝置內(nèi)。慣性約束法（如NIF法）通常使用激光來快速壓縮和內(nèi)爆等離子體，使其保持足夠長的時間并引發(fā)聚變反應。 長期以來，科學家們一直認為，創(chuàng)造穩(wěn)定高能密度的等離子場越大越好。但隨著超級計算和復雜模型取得最新進展，研究人員不斷解開等離子體性能更多的奧秘，同時開發(fā)了新的技巧，處理等離子體無須使用大型復雜機械。 得克薩斯大學核聚變研究所的物理學家小C. 溫德爾?霍頓（C. Wendell Horton Jr）是該研究最前沿的研究人員之一。他利用得克薩斯大學的Stampede超級計算機來模擬磁約束反應堆內(nèi)的等離子流和湍流?！拔覀冋谶M行幾年前還不可能完成的計算，并及時建立三維等離子體數(shù)據(jù)模型?！被纛D表示，“現(xiàn)在我們可以看到更細微的細節(jié)，而分析理論，甚至是最先進的探針和診斷測量方法都無法實現(xiàn)這一點。這樣一來，我們對如何改進反應堆有了更全面的認識?！?霍頓的發(fā)現(xiàn)為ITER等大型實驗和小型項目的設計提供了信息。“ITER的問題是，不管等離子體表現(xiàn)多好，都仍未找到反應堆自穩(wěn)的方法?！彼f，“等離子體仍然將在幾分鐘內(nèi)燃盡，這顯然無法解決能源問題。”霍頓和其他研究人員認為，一些小規(guī)模的方法更接近實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的反應，可以產(chǎn)生基本負荷電力。 最成熟的核聚變初創(chuàng)公司之一是1998年成立的TAE技術(shù)公司（前身為TriAlpha 能源公司），位于加州。 TAE反應堆的設計目的是利用所謂的場反向配置（FRC）來創(chuàng)建一個用自身磁場進行自我約束的漩渦環(huán)等離子體。（普林斯頓聚變系統(tǒng)的設計也采用了場反向配置。）TAE反應堆并沒有使用氘和氚（大多數(shù)聚變反應堆作為燃料的氫同位素混合物），而是向氫化硼燃料中注入高能中性氫粒子束，迫使反應產(chǎn)生阿爾法粒子（電離氦核）。X射線的能量沉積在反應堆安全殼內(nèi)并產(chǎn)生熱量，熱能通過傳統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電能，即將水加熱成水蒸氣來驅(qū)動渦輪機。 氫硼聚變是一種無中子核聚變，這意味著初級反應不會產(chǎn)生破壞性的中子輻射。這一設計方法的主要缺陷是燃料的燃燒需要極高的溫度，高達30億攝氏度?！斑_到這一溫度時，電子會瘋狂地產(chǎn)生輻射?！瘪R里蘭大學的物理學教授威廉?多蘭（William Dorland）表示，“等離子體冷卻的速度比加熱等離子體的速度要快?！北M管場反向配置裝置中等離子體的不穩(wěn)定性傾向似乎低于其他磁約束方法，但是還沒有人證明場反向配置反應堆可以產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體。

TAE聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官米切爾?賓德爾鮑爾（Michl Binderbauer）表示，公司最新的機器被命名為“Norman”——為了紀念公司聯(lián)合創(chuàng)始人諾曼?羅斯托克（Norman Rostoker），“其在等離子體封閉和穩(wěn)定性方面，比前一代機器有顯著改進?！边@得益于先進的人工智能和機器學習技術(shù)，它們通過谷歌開發(fā)的前沿算法Optometrist來實現(xiàn)。TAE與谷歌合作改進算法，分析等離子體特性數(shù)據(jù)，生成創(chuàng)造最理想的聚變條件的變量組合。研究人員在2017年《自然》雜志上的一篇論文中對此進行了描述。

賓德爾鮑爾表示：“我們現(xiàn)在做的事情在10年前是不可能完成的，這正使得學習周期變得越來越快?！?/p>

━━━━先進的計算技術(shù)也為多年前因預算削減或技術(shù)障礙而被放棄的具有發(fā)展前景的研究項目注入了新的活力?？偛课挥跍馗缛A附近的通用聚變公司是由加拿大等離子物理學家米歇爾?拉伯格（Michel Laberge）創(chuàng)立的。拉伯格辭掉了一份利潤豐厚的激光打印機開發(fā)工作，轉(zhuǎn)而探索一種被稱為“磁化靶聚變”（MTF）的技術(shù)。該公司吸引了超過2億美元的投資，包括杰夫?貝佐斯以及加拿大和馬來西亞政府的投資。 通用聚變公司的設計結(jié)合了磁約束和慣性約束聚變（ICF）的特點。該技術(shù)將磁約束等離子燃料的脈沖注入一個充滿了熔融鉛和鋰的渦流球體。反應堆周圍的活塞將沖擊波推向中心、壓縮燃料，迫使粒子發(fā)生聚變反應。由此產(chǎn)生的熱量被液態(tài)金屬吸收、產(chǎn)生蒸汽、推動渦輪機旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。 “你可以把它想象成托卡馬克裝置的相反狀態(tài)。”拉伯格說，“托卡馬克裝置的工作原理是一個大的等離子場，它的密度相對較低。而我們試圖通過擠壓沖擊波來制造一個密度極高的小等離子體。因為場很小而密度很高，因此我們只需將其維持1毫秒，就會發(fā)生聚變反應?！?/p>

在20世紀70年代，美國海軍研究實驗室進行了使用活塞系統(tǒng)來觸發(fā)核聚變的實驗。這些實驗之所以失敗，很大程度上是因為無法精確控制沖擊波的時間。拉伯格的團隊開發(fā)了先進的算法和高度精確的控制系統(tǒng)，可精調(diào)沖擊波和壓縮的速度和時間。

“在20世紀70年代的很多實驗中，問題都在于對稱性?！崩裾f，“我們現(xiàn)在已經(jīng)達到了必需的精確度和力度，所以這部分問題已經(jīng)解決了。” 使用液態(tài)金屬可以解決聚變能的另一個主要挑戰(zhàn)：中子輻射會腐蝕反應堆的內(nèi)壁，因此內(nèi)壁必須經(jīng)常更換，并作為低放射性廢料處理。而液態(tài)金屬能夠保護堅固的外壁不受損壞。液態(tài)金屬雖然會受到輻射，但不需要定期更換，因此反應堆不會接連不斷地產(chǎn)生低放射性廢料。 通用聚變公司最新的反應堆已于2018年底首次產(chǎn)生等離子體，這是該設施的核心部分。拉伯格表示，該設施將展示核聚變發(fā)電的端對端能力?！艾F(xiàn)在我們已經(jīng)成功地創(chuàng)建了一個穩(wěn)定的、持久的等離子體，我們看到了一個可行的途徑，讓等離子體產(chǎn)生的能量超過它消耗的能量?！彼^續(xù)表示，“就商業(yè)化而言，我們的時間表是幾年，而不是幾十年?！?/p>

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美國弗吉尼亞州的HyperJet Fusion公司研發(fā)了一種類似于通用聚變公司的方法，但未使用活塞，而是利用大約600個等離子槍向反應堆噴射等離子流。噴射的等離子流合并形成一個等離子體外殼，即襯底，然后內(nèi)爆并點燃磁化的靶等離子體。HyperJet Fusion公司的首席執(zhí)行官兼首席科學家F. 道格拉斯?威瑟斯彭（F. Douglas Witherspoon）表示，該系統(tǒng)不需要加熱系統(tǒng)將燃料加熱到聚變溫度?！皟?nèi)爆的等離子體襯底包含靶等離子體，并提供能量來提升溫度，以達到聚變條件。由于我們使用的等離子體密度比磁約束系統(tǒng)高得多，因此該裝置將聚變等離子體的尺寸從米級縮小到厘米級?！?威瑟斯彭表示，與托卡馬克裝置相比，超噴射聚變公司的方法的優(yōu)勢在于，不需要昂貴的超導磁體來產(chǎn)生巨大磁場，進而約束聚變?nèi)紵牡入x子體。 托卡馬克裝置項目本身也在重新啟動，這得益于不同超導材料的使用使磁約束更具可行性。麻省理工學院附屬的聯(lián)邦聚變系統(tǒng)在其Sparc反應堆的磁體中采用了高溫超導體釔鋇銅氧化物（YBCO）。 聯(lián)邦聚變系統(tǒng)的聯(lián)合創(chuàng)始人、麻省理工學院等離子科學與核聚變中心副主任馬丁?格林沃爾德（Martin Greenwald）計算得出，Sparc反應堆的YBCO磁鐵將能夠在其表面產(chǎn)生約21特斯拉的磁場，在等離子體中心產(chǎn)生12特斯拉的磁場，大約是用鈮錫制成的托卡馬克裝置磁場強度的2倍。更強的磁場會對等離子體中的帶電粒子產(chǎn)生更強的約束力，從而提高絕緣性，使聚變裝置更小、成本更低、性能更好。 格林沃爾德表示：“如果你能夠在性能相同的情況下將磁場加倍，同時將裝置尺寸減半，那將改變游戲規(guī)則?！?事實上，新型小規(guī)模聚變項目的一個優(yōu)勢是，它們可以專注于自己設計的創(chuàng)新方面，同時充分利用幾十年來來之不易的聚變科學基礎(chǔ)理論。正如格林沃爾德所說：“我們認為這種做法將能更快地將核聚變發(fā)電站商業(yè)化，我們接受圍繞ITER實驗發(fā)展起來的傳統(tǒng)物理基礎(chǔ)，同時專注于物理學家和磁體工程師之間的合作，幾十年來，他們一直在不斷刷新紀錄?！?/p>

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但一些具有發(fā)展前景的初創(chuàng)公司并不滿足于接受傳統(tǒng)觀點，他們正在以新的方式應對核聚變的基本物理原理。英國黎明核聚變公司研發(fā)了一種比較激進的方法，使用一種新型的慣性約束反應堆來進行核聚變，其設計靈感來自槍蝦這種非常嘈雜的甲殼類動物。 槍蝦的標志性特征是像手槍一樣巨大的鰲，用來震暈獵物。槍蝦收起鰲的“錘狀”部分，猛擊向鰲的另一側(cè)，引起快速的壓力變化，產(chǎn)生充滿水汽的空洞，稱為空化泡。當這些氣泡破裂時，在水中產(chǎn)生速度為每秒25米的沖擊波，足以獵取小型海洋動物。 “槍蝦只是想利用壓力波擊暈它的獵物?！崩杳骱司圩児镜穆?lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官尼古拉斯?霍克（Nicholas Hawker）表示，“它并不關(guān)心空腔內(nèi)爆時內(nèi)部的水汽壓縮得如此劇烈，以至于形成等離子體，或者說，它創(chuàng)造了地球上唯一的慣性約束聚變的例子。”等離子體的溫度超過4 700攝氏度，同時會產(chǎn)生218分貝的巨響。 霍克在牛津大學的博士論文中，將重點放在了槍蝦非同尋常的鰲上。他開始研究，是否有可能模仿并放大槍蝦的生理機能，用于點燃發(fā)電聚變反應。 黎明核聚變公司與國際工程集團莫特?麥克唐納（Mott MacDonald）合作，籌集了2500萬英鎊（約3300萬美元），開始建造一個慣性約束聚變反應堆，其中“鰲”由一個金屬盤形射彈和一個充滿氘氚燃料的方腔組成。射彈撞擊產(chǎn)生沖擊波，在燃料中產(chǎn)生空化泡。氣泡破裂時，燃料被長時間地大力壓縮，足以發(fā)生聚變。 霍克表示，黎明核聚變公司希望在2020年啟動首次核聚變反應，在2024年之前實現(xiàn)凈能量增益。但他承認，這些成就還不夠。他表示：“聚變能源不僅需要在科學上可行，還必須具有商業(yè)可行性?！?沒有人認為這是一件容易的事，但是核聚變能量的巨大挑戰(zhàn)（更不用說它的迫切需求）吸引許多科學家和工程師進入這一領(lǐng)域。而且他們的工作經(jīng)費也在不斷增加。 TAE技術(shù)公司的賓德爾鮑爾說：“你聽到的核聚變還要30年、40年或50年的說法是錯誤的?！彼墓疽呀?jīng)籌集了6億多美元?！拔覀儗⒃?年內(nèi)看到這項技術(shù)的商業(yè)化?！?多蘭和霍頓等經(jīng)驗豐富的核聚變研究人員傾向于更加穩(wěn)妥的觀點。他們擔心，就像過去一樣，無法兌現(xiàn)的宏大承諾可能會削弱公眾和投資者的支持。多蘭表示，任何在10年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化的說法“都是不真實的，我們離獲得核聚變能源還有很長一段路要走”。 然而，很少有人會反對不久的未來，我們對核聚變的迫切需求。 “我認為，說核聚變正在處于雛鷹展翅階段并不過分?！甭槭±砉W院的格林沃爾德表示，“我們沒有747噴氣飛機，但我們正在飛行?！?