核聚變能源時(shí)代還有多遠(yuǎn)

Sally

一直以來(lái)，利用核聚變發(fā)電的難度難于登天——但如今不少私人投資者認(rèn)為，他們離成功不遠(yuǎn)了。

在位于倫敦市中心的辦公室里，理查德·迪南的辦公桌上放著一大塊黑色鐵塊，他堅(jiān)信這塊鐵里蘊(yùn)藏著無(wú)限價(jià)值。

這個(gè)不規(guī)則的鐵塊實(shí)則是幾十億年前在恒星中心形成的隕石。正是這塊隕石為迪南帶來(lái)了最新創(chuàng)業(yè)的理念。

理查德·迪南曾因真人秀節(jié)目《風(fēng)尚切爾西》名聲大噪。這位百萬(wàn)富豪經(jīng)營(yíng)著一家折扣卡企業(yè)和3D打印公司。不過(guò)最近，他迷上了更加雄心勃勃的核聚變事業(yè)。

幾十年來(lái)，聚變能一直縈繞在希望解決全球能源問(wèn)題的人們心頭。核聚變發(fā)生于恒星內(nèi)部并提供能量，比如我們熟知的太陽(yáng)。而在地球上，核聚變可以為人類(lèi)提供幾乎取之不盡的安全清潔能源。自上世紀(jì)50年代以來(lái)，物理學(xué)家就開(kāi)始嘗試將核聚變轉(zhuǎn)變?yōu)榭尚械哪茉矗沁@項(xiàng)技術(shù)始終遙不可及。

聚變是將兩個(gè)小原子的核聚合在一起形成較大原子的過(guò)程。整個(gè)過(guò)程的進(jìn)行需要巨大的能量，但一旦聚變成功，產(chǎn)生的反應(yīng)又會(huì)釋放更多的能量。實(shí)現(xiàn)聚變本身并不是大問(wèn)題——自從1952年第一顆氫彈爆炸以來(lái)，人類(lèi)早已成功引發(fā)熱核聚變反應(yīng)。真正的挑戰(zhàn)是如何控制反應(yīng)中釋放的巨大能量。

世界各國(guó)政府已經(jīng)在核聚變項(xiàng)目上投入了巨額資金，建造大量機(jī)器把空氣加熱到比太陽(yáng)表面更高的極高溫，目前已經(jīng)取得一些成功。1991年，在英國(guó)牛津郡的庫(kù)倫漢姆聚變能中心進(jìn)行的一項(xiàng)試驗(yàn)證明了在受控環(huán)境中釋放核聚變能量的可能性。試驗(yàn)中，聚變反應(yīng)釋放了16兆瓦能量，但核聚變反應(yīng)的觸發(fā)卻需要25兆瓦的能量。

這一試驗(yàn)最終使得35個(gè)國(guó)家決心在法國(guó)南部建造一個(gè)更大的新反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆被稱(chēng)為“國(guó)際熱核試驗(yàn)反應(yīng)堆”（Iter），其目標(biāo)是通過(guò)觸發(fā)能維持自身反應(yīng)所需能量的聚變反應(yīng)來(lái)生成更多能量。迄今為止，該項(xiàng)目已經(jīng)延期10年之久并且嚴(yán)重超支。最初的預(yù)算為50億歐元，實(shí)際成本接近預(yù)算的三倍，達(dá)到了140億歐元。

資本理念

盡管如此，包括迪南在內(nèi)的不少私人投資者認(rèn)為他們有能力涉足這一領(lǐng)域?！白詮腎ter被設(shè)計(jì)建造以來(lái)，核聚變技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，”迪南說(shuō)，“我沒(méi)有新的物理發(fā)現(xiàn)。我的辦法就是快速且低成本的打造技術(shù)?！?/p>

迪南的計(jì)劃是建造一個(gè)比較小但更加緊湊的反應(yīng)堆，這樣建造成本相比Iter就會(huì)減少很多。和其他試圖涉足核聚變領(lǐng)域的私人企業(yè)一樣，迪南認(rèn)為，小型企業(yè)更具靈活性，比起昂貴的大型公共項(xiàng)目，他們可以更快速地解決問(wèn)題。他相信，超級(jí)計(jì)算機(jī)和3D打印技術(shù)的發(fā)展可以讓他在短時(shí)間內(nèi)建造反應(yīng)堆。為此，他計(jì)劃融資2億英鎊，在未來(lái)7年建造兩座核反應(yīng)堆。

迪南的創(chuàng)業(yè)公司應(yīng)用聚變系統(tǒng)（Applied Fusion System）是越來(lái)越多投資核聚變領(lǐng)域的公司之一。僅在英國(guó)，已有至少兩家公司試圖建造商用核聚變電站。根據(jù)去年的報(bào)道，在美國(guó)，不少項(xiàng)目獲得了身家數(shù)十億美元的科技大咖的投資，比如亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯、微軟聯(lián)合創(chuàng)始人保羅·艾倫、PayPal聯(lián)合創(chuàng)始人彼得·泰爾和谷歌前副總裁邁克·卡西迪等。

隨著氣候變化使得人類(lèi)越來(lái)越不可持續(xù)依賴(lài)化石燃料，向其他可持續(xù)能源的轉(zhuǎn)變迫在眉睫。但太陽(yáng)能和風(fēng)能這些可再生能源又不完全可靠，而核裂變又因?yàn)槠洚a(chǎn)生有害物質(zhì)而始終未被廣泛應(yīng)用。

“看到這么多私人投資者開(kāi)始投資核聚變領(lǐng)域我一點(diǎn)也不驚訝，” 英國(guó)原子能管理局局長(zhǎng)兼庫(kù)倫漢姆聚變能中心負(fù)責(zé)人伊恩·查普曼說(shuō)，“這種能源產(chǎn)量極高，且無(wú)放射性廢物，土地占有極少，更重要的，它還是可持續(xù)的?！睋Q言之，利潤(rùn)空間也是極大的。

當(dāng)Iter可以投入使用后——目前計(jì)劃是在2025年——該反應(yīng)堆預(yù)期產(chǎn)能為500兆瓦，是觸發(fā)核聚變反應(yīng)所需能量的10倍。但最終結(jié)果仍有待觀察。查普曼表示：“我們?nèi)蕴幱谂ψ屔赡芰慷嘤谕度肽芰康碾A段，以及解決用于商業(yè)規(guī)模的可行性問(wèn)題。至少目前而言，私人企業(yè)仍落后于我們?！?/p>

如果Iter能成功，將成為全球能源格局發(fā)生革命性轉(zhuǎn)變的開(kāi)端。和行業(yè)內(nèi)的其他公司一樣，迪南相信那些已經(jīng)掌握反應(yīng)堆制造技術(shù)的人將獲得最大的回報(bào)。

前進(jìn)

迪南破解聚變的方法來(lái)自庫(kù)倫漢姆中心科學(xué)家多年研究的結(jié)果。他的公司打算建造一個(gè)基于庫(kù)倫漢姆中心試驗(yàn)反應(yīng)堆而設(shè)計(jì)的球狀托克馬克。托克馬克反應(yīng)堆通過(guò)把氫原子加熱到可以形成等離子體——即超高溫帶電氣體——的狀態(tài)來(lái)工作。強(qiáng)大的磁場(chǎng)使這些發(fā)光的離子處于懸浮狀態(tài)并擠壓在一起，以增加導(dǎo)致聚變的碰撞幾率。

庫(kù)倫漢姆中心設(shè)計(jì)的托克馬克反應(yīng)堆外形上更扁更圓，專(zhuān)門(mén)用于Iter，并且理論上其中聚變反應(yīng)需要的能量應(yīng)該更少。

但是，若要達(dá)到聚變條件，就需要加熱兩種不同類(lèi)型的氫同位素，分別被稱(chēng)為氘和氚，加熱的溫度需要達(dá)到1億攝氏度，是太陽(yáng)中心溫度的六倍。光加熱燃料就需要消耗大量能量。然后，還需要更多能量來(lái)形成磁場(chǎng)，從而使獲得的等離子體遠(yuǎn)離反應(yīng)器墻壁。

在庫(kù)倫漢姆中心設(shè)計(jì)的不銹鋼反應(yīng)容器內(nèi)部，該托克馬克可以在2300萬(wàn)攝氏度條件下生成等離子體，離完全聚變所需的溫度還差很遠(yuǎn)。

應(yīng)用聚變系統(tǒng)公司的運(yùn)營(yíng)主管詹姆斯·蘭伯特說(shuō)：“我們打算先建造幾個(gè)這樣的反應(yīng)堆，然后測(cè)試我們自己的想法。第一個(gè)反應(yīng)堆肯定不會(huì)產(chǎn)生凈能量，不過(guò)我們的目標(biāo)是輸出100兆瓦以下的電能?！?/p>

蘭伯特說(shuō)，超級(jí)計(jì)算機(jī)上的模擬運(yùn)行有助于了解等離子體在反應(yīng)堆內(nèi)的運(yùn)行，從而加速設(shè)計(jì)過(guò)程。同時(shí)，他們正在研究3D打印組件的方法，進(jìn)一步加快測(cè)試流程?！暗入x子體的運(yùn)行不可預(yù)測(cè)，”他說(shuō)，“現(xiàn)在，超級(jí)計(jì)算機(jī)的價(jià)格已經(jīng)大幅下降，這使得核聚變研究人員能夠在建造反應(yīng)堆之前先測(cè)試他們的理念?！?

應(yīng)用聚變系統(tǒng)正步入一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)日漸激烈的市場(chǎng)。英國(guó)最早的核聚變公司之一——位于牛津郡的托克馬克能源公司成立于2009年。這家公司也在尋求使用球形托克馬克設(shè)計(jì)來(lái)建造小型核聚變反應(yīng)堆發(fā)電站。

托克馬克能源公司的首席執(zhí)行官說(shuō)：“我們已經(jīng)了解了足夠多的物理理論來(lái)使這些機(jī)器工作。現(xiàn)在，我們需要解決的是一系列工程難題?！?/p>

另一家從牛津大學(xué)分離出來(lái)的公司“曙光聚變”則采取了不同的方法。該公司希望開(kāi)發(fā)利用一種被稱(chēng)為慣性約束核聚變的技術(shù)。然而，到目前為止這項(xiàng)技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)觸發(fā)聚變反應(yīng)所需條件的三分之一。

加州夢(mèng)

盡管困難重重，核聚變已然吸引了硅谷和互聯(lián)網(wǎng)億萬(wàn)富豪的想象力，紛紛試圖創(chuàng)造自己的“登月計(jì)劃”。其中之一有微軟聯(lián)合創(chuàng)始人保羅·艾倫。他曾投資過(guò)加州的三角能源公司。在過(guò)去20年中，該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)在反應(yīng)室內(nèi)相互發(fā)射高能量等離子體的反應(yīng)堆。與使用氫同位素做聚變?nèi)剂喜煌?，他們采用的是另一種元素硼——但這需要更高的反應(yīng)觸發(fā)溫度。

亞馬遜首席執(zhí)行官杰夫·貝索斯投資的加拿大公司“通用聚變”采用了其他不同的方法。一個(gè)3米寬的反應(yīng)室內(nèi)部布滿了220個(gè)活塞，當(dāng)這些活塞同時(shí)啟動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生沖擊波，然后將液態(tài)鉛和鋰發(fā)射到已經(jīng)互相加速的兩個(gè)等離子體環(huán)中。

不管采取何種方法，巨大的挑戰(zhàn)仍然存在。

“在這些反應(yīng)堆中心，燃料溫度是太陽(yáng)中心溫度的10倍，”查普曼說(shuō)，“你必須有一個(gè)安全穩(wěn)定的方法將等離子體中的余熱排出到反應(yīng)堆外，同時(shí)避免熔化反應(yīng)堆的任何部位。”

核聚變反應(yīng)還會(huì)釋放出被稱(chēng)為中子的亞原子粒子，這些中子會(huì)飛出并撞擊反應(yīng)堆墻壁，甚至撞壞最堅(jiān)硬的金屬。“核聚變反應(yīng)堆將是地球上密度最高的中子源，”查普曼說(shuō)，“我們必須弄清楚這些中子會(huì)如何影響我們用來(lái)制造反應(yīng)堆的材料。而這又是極其復(fù)雜的科學(xué)難題?！?/p>

英國(guó)庫(kù)倫漢姆中心的科學(xué)家如今正在尋找這一解決方案，其中包括斥資300萬(wàn)英鎊對(duì)他們的反應(yīng)堆進(jìn)行升級(jí)。升級(jí)后的反應(yīng)堆采用新的磁場(chǎng)配置來(lái)將熱量分散至更廣泛區(qū)域。與此同時(shí)，迪南已經(jīng)在倫敦郊區(qū)尋找合適的地方來(lái)建造他的反應(yīng)堆。

“能在這時(shí)候進(jìn)軍核聚變領(lǐng)域著實(shí)令人興奮，”查普曼說(shuō)，“仿佛我們終于踏入了核聚變夢(mèng)想成真的時(shí)代。”