核聚变的前景
图片来源:TAE Technologies
核聚变已经被提上人类的议程几十年了，但它提出了最艰巨的工程挑战。如果我们做对了，奖品是几乎无限的清洁能源。那么，我们会实现这个目标吗?还是说，它还停留在科幻小说的领域?
核聚变领域的兴奋是显而易见的。关于核聚变永远是30年后的事的笑话已经过时了。投资——曾经以蜗牛的速度爬行——正在涌入，因为一些私营公司表示，他们将在21世纪20年代中期展示成功的融合，到21世纪30年代并网发电。同样的重量，聚变燃料释放的能量是煤炭的1000万倍。
石油和天然气公司正在加入私人投资者的行列，谷歌、杰夫·贝佐斯和贝宝创始人彼得·蒂尔等人都在支持该行业。
如今，英国被誉为世界上对融合产业最友好的国家，供应链和监管的前景即将明朗，未来还将举办实验性试点工厂。从印度到中国，再到澳大利亚，以及北美和欧洲，世界各地都有公司成立。
聚变能源洞察公司创始人、等离子物理学家梅勒妮·温德里奇博士说:“对私营聚变公司的投资一下子翻了一番——这真令人兴奋。”她汇编了一份由聚变工业协会(FIA)于11月发布的对全球30家私营聚变公司的调查，该调查显示，18家公司吸引了18亿美元(13亿英镑)的投资，不久之后增加到24亿美元(18亿英镑)。相比之下，从麻省理工学院(MIT)分拆出来的美国联邦聚变系统公司(Commonwealth Fusion Systems)宣布又筹集了18亿美元，用于建造和运营一家试验工厂，该工厂正在马萨诸塞州建设，预计将在2025年底投入运营。
Windridge说，在过去十年中，经过多年的公共资助研究，基础科学已经成熟——以前只有大型国家资助的设施才能有信心进行核聚变，因为投资了数十亿美元。现在，规模较小的公司似乎准备用更小、更便宜的设备避开大规模的政府试验。其中一些的温度达到了太阳温度的十倍。
“这并不是说一切都解决了，但私营公司正在建立一个成熟的等离子体物理学的良好基础，”Windridge说。“人们不再认为这是几十年后的事了。”更强大的磁体、高性能计算、机器学习和先进制造技术等支持技术的进步激发了人们的热情。
总部位于华盛顿的国际汽联首席执行官安德鲁•霍兰德(Andrew Holland)表示:“私营部门的发展速度超出了核聚变领域内外许多人的预期。”“核聚变已经从国家实验室完成的东西发展成为一项潜在的业务。”
他指出，实现融合的方法有很多，脚步轻快的公司都在尝试。随着每一个里程碑的通过，更多的资金被释放，投资者的期望很高。TAE Technologies首席执行官米歇尔•宾德鲍尔(michael Binderbauer)表示:“我们的生计依赖于交付，否则我们就完了。”TAE Technologies自1998年开始运营。
霍兰德表示:“绝大多数(国际汽联)成员公司都在使用替代方法，几乎没有技术重叠。”“这些大多是上世纪七八十年代国家项目遗留下来的东西。”
更安全的裂变方式?
加拿大-英国公司Moltex成立的柴郡实验室正在帮助验证新的稳定盐反应堆(SSR)的设计，该反应堆可以提供一种危害较小的核能来源。
SSRs最早是由美国科学家在上世纪60年代开发出来的，但从未商业化。它有很多变种，而Moltex公司所追求的型号有望消除放射性气体和包含压力的潜在危险。
SSRs使用熔盐作为燃料，裂变的产物是不挥发的盐而不是气体。在Moltex公司的设计中，熔盐燃料被储存在传统的燃料管中，取代了传统反应堆中使用的固体氧化铀丸。这些管道是由一种单独的熔盐(而不是水)冷却的，熔盐通过将热量传递给涡轮机来发电。
更换水可以消除蒸汽爆炸的风险;Moltex公司说，如果反应堆发生故障，这种冷却剂就无法沸腾。放射性废料的半衰期短得多，只有几百年，而不是几万年。
这种模式允许熔盐以热的形式储存能量，Moltex公司声称它比传统的核能更安全、更有效、更便宜。该公司宣称:“它比它将取代的化石燃料更便宜。”
化学家、物理学家、机械工程师和热水力学专家正在沃灵顿实验室开展腐蚀、燃料和冷却剂化学领域的研究，以及其他正在开发的领域。
Moltex公司的一种改进型——“废物燃烧器”(SSR-W)——使用传统的回收核废料作为燃料，这样可以减少当今反应堆的废料体积和放射性。
核聚变听起来似乎很简单——用足够的能量碰撞在一起，两个轻的原子核聚变产生一个整体质量略小的更大的原子核，释放额外的能量。这种反应使太阳和恒星在引力的控制下保持发光。核裂变——当今核能的来源——很容易开始，很难停止，而核聚变则恰恰相反——很难点燃，而且迄今为止，不可能在地球上维持。
挑战是复杂的——总部位于加州的TAE Technologies仅在支持技术方面就申请了1800项专利。等离子体物理学家、《造星者》一书的作者阿瑟·特瑞尔博士说:“机器的复杂性超出了我们的设计。”“(一个聚变反应堆)有数千万个部件。”
现在，一些公司表示，他们已经达到或预计很快就会达到足以使物质结合的高温——超过1亿度。
但迄今为止，控制和控制不受控制的带电热等离子体是科学家们的难题——等离子体通常只持续百万分之一秒。特瑞尔说，控制电离粒子有两种主要方法。一种是磁约束——将等离子体悬浮在一个紧密编织而强大的磁场中，最常见的是在一个甜甜圈状的室中:托卡马克。
宾德鲍尔说:“一旦这种炽热的虚无物质碰到罐子的边缘，它就会冷却下来，游戏就结束了。”TAE技术公司正在研究一种不太传统的带有旋转等离子体的线性反应器。
另一种方法是惯性约束，将等离子体挤压到极端密度，在它崩溃和泄漏能量之前实现聚变。在美国，国家点火设施(National Ignition Facility)去年夏天宣布，当高强度激光射入少量燃料时，他们即将点燃惯性约束核聚变。惯性约束也是牛津大学的第一次光聚变研究探索的方法，它使用冲击波来压缩等离子体。
但是产生比吸收更多的能量是将核聚变作为一种可行能源的关键，而目前还没有人做到这一点。位于牛津郡卡勒姆聚变能源中心的欧洲实验设施JET(联合欧洲环面)是最接近的。1997年，它短暂地贡献了67%的能源投入。其他里程碑，如控制高温等离子体增加秒到分钟，已经通过。最终，特瑞尔说，核聚变先驱希望产生的能量是原来的30到100倍。
然后是燃料。大多数模型使用氘和氚，这是氢的同位素。前者在海水中含量丰富，而氚则比较稀少，具有轻度放射性，半衰期为12.3年，可以在聚变反应堆中由锂生成。
今年，加拿大通用聚变公司(General Fusion)将开始在英国建造一座新的实验工厂——这是经过三年全球搜索后选定的——试点工厂将于2025年投入运营。“当时有一系列独特的条件支持我们想做的事情，”核能领域的资深人士杰伊•布里斯特(Jay Brister)表示。他现在是总部位于温哥华的通用聚变公司(General Fusion)的首席业务发展官。示范工厂将建在卡勒姆，这里是英国原子能机构(UKAEA)的所在地，该机构全面负责英国的核聚变研究。
英国政府已开始鼓励建立供应链，并制定监管这一新兴行业的方法。布里斯特说:“我们想要一个具有正确特点的合适的东道主来推进我们的示范设施。”“从全球来看，我认为英国在监管方面遥遥领先。”该示范工厂将耗资2.95亿英镑，政府的投资金额不详。
2020年，政府宣布了英国成为第一个将聚变技术商业化的国家的雄心，并计划在2040年建立一个新的原型聚变能源工厂- STEP(球形托卡马克用于能源生产)-为电网做出贡献;英格兰和苏格兰有五个候选地点入围。
在迪德科特附近的一个商业园区，英国初创企业托卡马克能源公司正在建造一个配备高温超导磁体的球形托卡马克，预计将在21世纪30年代初投入使用，并宣布在达到1亿摄氏度方面取得了良好的进展。
相比之下，已经筹集了至少2亿美元(1.5亿英镑)公共和私人资金的通用聚变公司使用的是惯性约束方法——在液态金属外壳内保持一个等离子球。活塞将挤压球来压缩等离子体。核聚变发生时，高能中子逃逸到液态锂中。由此产生的热量将用于发电并产生氚。布里斯特说:“到2025年，CFS和General Fusion可能是两家能够投入运营的私营企业。”
去年，美国初创企业Helion Energy为其计划中的等离子加速器吸引了5亿美元(3.68亿英镑)的资金，该加速器旨在直接发电，而不是通过传统的发电厂，该公司表示，在测试中已达到超过1亿摄氏度。现在已经有了第七个原型机，Helion公司表示，到2024年，这将产生少量的净电力。
早在2014年，洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)就宣布在紧凑型聚变反应堆方面取得了突破，尽管此后几乎没有对外宣布，而且该项目在业内以保密著称。
谷歌支持的TAE科技公司已经筹集了8.8亿美元(6.5亿英镑)，预计其反应堆将在十年内商业化，并且在实验中已经达到了5000万摄氏度以上。新的原型机将在超过1亿摄氏度的温度下工作。
TAE目前正在与日本国家聚变科学研究所合作，进行第一次大规模的氢和硼实验。宾德鲍尔说，这种燃料有很多优点，尤其是储量丰富、价格便宜、没有放射性，因此不会降解材料，也不需要屏蔽。TAE的设计将中性光束射入一个中心室，以旋转和加热等离子体。当它绕轴旋转时，不需要强磁场就能获得稳定性。
最终，TAE的目标是将氢和硼的熔合温度提高10倍，达到10亿摄氏度，Binderbauer承认这听起来很荒谬。TAE的设计借鉴了欧洲核子研究中心的实验，那里的粒子物理学家对加速和碰撞粒子有了更深入的了解。“欧洲核子研究中心的工作温度相当于几万亿度，”宾德鲍尔说。TAE将粒子加速器物理学与等离子体物理学相结合，目标是获得更高温度和更大密度的等离子体。
宾德鲍尔表示，他的公司与谷歌合作，在利用机器学习和人工智能学习如何通过瞬间调整控制等离子体方面取得了长足进展。
“等离子体反应堆的时间很短，所以电子设备、软件的效率，一切都必须发展。他说:“现在我们可以控制那些在五年前甚至都是困难的、在十年前绝对不可能的事情——这在科幻小说里是不可能的……我们有足够的技术工具来迎接挑战。”“毫无疑问，我们会解决问题的。”
实现核聚变能源的游戏规则改变者
在聚变过程中，氘和氚融合产生氦核和快速移动的中子。中子——携带五分之四的反应能量——不能被磁场容纳。随着时间的推移，反应堆室持续的中子轰击会在原子尺度上降解材料。
科学家们正在寻找一种材料，这种材料可以在装有聚变等离子体的容器内部承受这种攻击。牛津大学的费利克斯·霍夫曼教授说:“这里的关键之一是找到能够在这种‘可怕’的环境中存活足够长时间的材料。”“部分挑战在于，我们无法在短时间内重现这些材料实际使用的条件。”但他说，合适的材料可以延长核聚变工厂的寿命几十年。
“即使经过几个月的操作，这些缺陷也会导致材料性能的巨大变化。它们会变得非常脆，导热性很差。”
环形钢真空室的内部将铺上保护性材料，以吸收最恶劣的条件。“它唯一的功能就是保护真空容器，把热量带出去。”另一部分研究集中在中子辐照如何影响超导线圈，产生限制聚变等离子体的磁场。
JET的内部使用了碳瓦。从长远来看，钨是一个更有希望的候选。“我们现在很清楚钨将如何降解和进化。下一步是优化材料，以确保它足够持久。”
卡勒姆聚变能源中心的同事们已经在原子水平上模拟了聚变条件对反应堆材料的影响，以便直接比较实验。“然后你可以扩大规模，尝试模拟整个反应堆组件。”最终目标是建立整个反应堆的模型，以了解所有不同部分是如何一起工作的。“这需要奏效。我们没有多少时间了。”
碎片，或任何可能破坏中央安全壳内脆弱等离子体的东西，会被吸入TAE的转向血管。当机器运行时，内部的真空条件可与外层空间相媲美或大于外层空间。如果等离子体因为一个尘埃粒子而变慢、变冷或失去对称性，它就会解体。这是维持聚变反应的主要挑战之一。导流器是必不可少的，机器必须保持纯净，因此照片中员工的全身套装。
一个高大的电磁铁——中央螺线管——是ITER托卡马克的核心。在操作过程中，它既能启动等离子体电流，又能驱动和塑造等离子体。
2021年10月，英国宣布将通过支持私营部门，打造世界领先的核聚变产业。一份2021年的讨论文件提出了监管该行业的建议，预计将于今年年初做出回应。去年4月，UKAEA授予了一份合同，建立世界上第一个氚研究中心H3AT，科学家将在那里研究燃料的加工、分配、储存、回收和处理。
“由于监管负担，经济和不确定性很高，”宾德鲍尔说。“英国是第一个建立核聚变许可框架的国家，我为这个国家创造确定性而致敬。”
但国际汽联的霍兰德表示，未来私营部门和公共部门如何合作必须澄清。他说:“我们很乐意看到世界各地的国家效仿英国——它们绝对是领导者。”
预计未来核聚变能源工厂的成本和规模各不相同。规模较小的公司正在考虑建造50-100兆瓦的发电厂，其中一些可能适合用于采矿作业、数据中心、甚至航运和太空旅行的离网供电。但霍兰德说，绝大多数人关注的是电力市场，目标是200-300兆瓦的发电厂。“也许除了中国人，没有人想要一个几十亿瓦的发电厂。这对需求来说太大了。”
去年，在格拉斯哥举行的最新一次缔约方会议上，核聚变首次被提上议程。但是，即使我们在可再生能源方面取得了巨大进步，全球86%的能源仍由化石燃料产生。业界预测，到2050年，全球所需的能源将是现在的一半。
霍兰德说:“如果说我们从这次大流行中学到了什么的话，(那就是)如果有做某事的意愿，就有办法加速它。但这必须成为优先事项。”
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