核聚变能源时代还有多远

2017-05-24Sally

看世界 2017年10期

关键词：汉姆核聚变等离子体

Sally

一直以来，利用核聚变发电的难度难于登天——但如今不少私人投资者认为，他们离成功不远了。

在位于伦敦市中心的办公室里，理查德·迪南的办公桌上放着一大块黑色铁块，他坚信这块铁里蕴藏着无限价值。

这个不规则的铁块实则是几十亿年前在恒星中心形成的陨石。正是这块陨石为迪南带来了最新创业的理念。

理查德·迪南曾因真人秀节目《风尚切尔西》名声大噪。这位百万富豪经营着一家折扣卡企业和3D打印公司。不过最近，他迷上了更加雄心勃勃的核聚变事业。

几十年来，聚变能一直萦绕在希望解决全球能源问题的人们心头。核聚变发生于恒星内部并提供能量，比如我们熟知的太阳。而在地球上，核聚变可以为人类提供幾乎取之不尽的安全清洁能源。自上世纪50年代以来，物理学家就开始尝试将核聚变转变为可行的能源，但是这项技术始终遥不可及。

聚变是将两个小原子的核聚合在一起形成较大原子的过程。整个过程的进行需要巨大的能量，但一旦聚变成功，产生的反应又会释放更多的能量。实现聚变本身并不是大问题——自从1952年第一颗氢弹爆炸以来，人类早已成功引发热核聚变反应。真正的挑战是如何控制反应中释放的巨大能量。

世界各国政府已经在核聚变项目上投入了巨额资金，建造大量机器把空气加热到比太阳表面更高的极高温，目前已经取得一些成功。1991年，在英国牛津郡的库伦汉姆聚变能中心进行的一项试验证明了在受控环境中释放核聚变能量的可能性。试验中，聚变反应释放了16兆瓦能量，但核聚变反应的触发却需要25兆瓦的能量。

这一试验最终使得35个国家决心在法国南部建造一个更大的新反应堆。该反应堆被称为“国际热核试验反应堆”（Iter），其目标是通过触发能维持自身反应所需能量的聚变反应来生成更多能量。迄今为止，该项目已经延期10年之久并且严重超支。最初的预算为50亿欧元，实际成本接近预算的三倍，达到了140亿欧元。

资本理念

尽管如此，包括迪南在内的不少私人投资者认为他们有能力涉足这一领域。“自从Iter被设计建造以来，核聚变技术已经取得长足进步，”迪南说，“我没有新的物理发现。我的办法就是快速且低成本的打造技术。”

迪南的计划是建造一个比较小但更加紧凑的反应堆，这样建造成本相比Iter就会减少很多。和其他试图涉足核聚变领域的私人企业一样，迪南认为，小型企业更具灵活性，比起昂贵的大型公共项目，他们可以更快速地解决问题。他相信，超级计算机和3D打印技术的发展可以让他在短时间内建造反应堆。为此，他计划融资2亿英镑，在未来7年建造两座核反应堆。

迪南的创业公司应用聚变系统（Applied Fusion System）是越来越多投资核聚变领域的公司之一。仅在英国，已有至少两家公司试图建造商用核聚变电站。根据去年的报道，在美国，不少项目获得了身家数十亿美元的科技大咖的投资，比如亚马逊创始人杰夫·贝索斯、微软联合创始人保罗·艾伦、PayPal联合创始人彼得·泰尔和谷歌前副总裁迈克·卡西迪等。

随着气候变化使得人类越来越不可持续依赖化石燃料，向其他可持续能源的转变迫在眉睫。但太阳能和风能这些可再生能源又不完全可靠，而核裂变又因为其产生有害物质而始终未被广泛应用。

“看到这么多私人投资者开始投资核聚变领域我一点也不惊讶，” 英国原子能管理局局长兼库伦汉姆聚变能中心负责人伊恩·查普曼说，“这种能源产量极高，且无放射性废物，土地占有极少，更重要的，它还是可持续的。”换言之，利润空间也是极大的。

当Iter可以投入使用后——目前计划是在2025年——该反应堆预期产能为500兆瓦，是触发核聚变反应所需能量的10倍。但最终结果仍有待观察。查普曼表示：“我们仍处于努力让生成能量多于投入能量的阶段，以及解决用于商业规模的可行性问题。至少目前而言，私人企业仍落后于我们。”

如果Iter能成功，将成为全球能源格局发生革命性转变的开端。和行业内的其他公司一样，迪南相信那些已经掌握反应堆制造技术的人将获得最大的回报。

前进

迪南破解聚变的方法来自库伦汉姆中心科学家多年研究的结果。他的公司打算建造一个基于库伦汉姆中心试验反应堆而设计的球状托克马克。托克马克反应堆通过把氢原子加热到可以形成等离子体——即超高温带电气体——的状态来工作。强大的磁场使这些发光的离子处于悬浮状态并挤压在一起，以增加导致聚变的碰撞几率。

库伦汉姆中心设计的托克马克反应堆外形上更扁更圆，专门用于Iter，并且理论上其中聚变反应需要的能量应该更少。

但是，若要达到聚变条件，就需要加热两种不同类型的氢同位素，分别被称为氘和氚，加热的温度需要达到1亿摄氏度，是太阳中心温度的六倍。光加热燃料就需要消耗大量能量。然后，还需要更多能量来形成磁场，从而使获得的等离子体远离反应器墙壁。

在库伦汉姆中心设计的不锈钢反应容器内部，该托克马克可以在2300万摄氏度条件下生成等离子体，离完全聚变所需的温度还差很远。

应用聚变系统公司的运营主管詹姆斯·兰伯特说：“我们打算先建造几个这样的反应堆，然后测试我们自己的想法。第一个反应堆肯定不会产生净能量，不过我们的目标是输出100兆瓦以下的电能。”

兰伯特说，超级计算机上的模拟运行有助于了解等离子体在反应堆内的运行，从而加速设计过程。同时，他们正在研究3D打印组件的方法，进一步加快测试流程。“等离子体的运行不可预测，”他说，“现在，超级计算机的价格已经大幅下降，这使得核聚变研究人员能够在建造反应堆之前先测试他们的理念。”

应用聚变系统正步入一个竞争日渐激烈的市场。英国最早的核聚变公司之一——位于牛津郡的托克马克能源公司成立于2009年。这家公司也在寻求使用球形托克马克设计来建造小型核聚变反应堆发电站。

托克马克能源公司的首席执行官说：“我们已经了解了足够多的物理理论来使这些机器工作。现在，我们需要解决的是一系列工程难题。”

另一家從牛津大学分离出来的公司“曙光聚变”则采取了不同的方法。该公司希望开发利用一种被称为惯性约束核聚变的技术。然而，到目前为止这项技术只能实现触发聚变反应所需条件的三分之一。

加州梦

尽管困难重重，核聚变已然吸引了硅谷和互联网亿万富豪的想象力，纷纷试图创造自己的“登月计划”。其中之一有微软联合创始人保罗·艾伦。他曾投资过加州的三角能源公司。在过去20年中，该公司已经开发了一个在反应室内相互发射高能量等离子体的反应堆。与使用氢同位素做聚变燃料不同，他们采用的是另一种元素硼——但这需要更高的反应触发温度。

亚马逊首席执行官杰夫·贝索斯投资的加拿大公司“通用聚变”采用了其他不同的方法。一个3米宽的反应室内部布满了220个活塞，当这些活塞同时启动时将产生冲击波，然后将液态铅和锂发射到已经互相加速的两个等离子体环中。

不管采取何种方法，巨大的挑战仍然存在。