核聚變能源時代還有多遠

Sally

一直以來，利用核聚變發電的難度難于登天——但如今不少私人投資者認為，他們離成功不遠了。

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，他堅信這塊鐵里蘊藏著無限價值。

這個不規則的鐵塊實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了最新創業的理念。

理查德·迪南曾因真人秀節目《風尚切爾西》名聲大噪。這位百萬富豪經營著一家折扣卡企業和3D打印公司。不過最近，他迷上了更加雄心勃勃的核聚變事業。

幾十年來，聚變能一直縈繞在希望解決全球能源問題的人們心頭。核聚變發生于恒星內部并提供能量，比如我們熟知的太陽。而在地球上，核聚變可以為人類提供幾乎取之不盡的安全清潔能源。自上世紀50年代以來，物理學家就開始嘗試將核聚變轉變為可行的能源，但是這項技術始終遙不可及。

聚變是將兩個小原子的核聚合在一起形成較大原子的過程。整個過程的進行需要巨大的能量，但一旦聚變成功，產生的反應又會釋放更多的能量。實現聚變本身并不是大問題——自從1952年第一顆氫彈爆炸以來，人類早已成功引發熱核聚變反應。真正的挑戰是如何控制反應中釋放的巨大能量。

世界各國政府已經在核聚變項目上投入了巨額資金，建造大量機器把空氣加熱到比太陽表面更高的極高溫，目前已經取得一些成功。1991年，在英國牛津郡的庫倫漢姆聚變能中心進行的一項試驗證明了在受控環境中釋放核聚變能量的可能性。試驗中，聚變反應釋放了16兆瓦能量，但核聚變反應的觸發卻需要25兆瓦的能量。

這一試驗最終使得35個國家決心在法國南部建造一個更大的新反應堆。該反應堆被稱為“國際熱核試驗反應堆”（Iter），其目標是通過觸發能維持自身反應所需能量的聚變反應來生成更多能量。迄今為止，該項目已經延期10年之久并且嚴重超支。最初的預算為50億歐元，實際成本接近預算的三倍，達到了140億歐元。

資本理念

盡管如此，包括迪南在內的不少私人投資者認為他們有能力涉足這一領域。“自從Iter被設計建造以來，核聚變技術已經取得長足進步，”迪南說，“我沒有新的物理發現。我的辦法就是快速且低成本的打造技術。”

迪南的計劃是建造一個比較小但更加緊湊的反應堆，這樣建造成本相比Iter就會減少很多。和其他試圖涉足核聚變領域的私人企業一樣，迪南認為，小型企業更具靈活性，比起昂貴的大型公共項目，他們可以更快速地解決問題。他相信，超級計算機和3D打印技術的發展可以讓他在短時間內建造反應堆。為此，他計劃融資2億英鎊，在未來7年建造兩座核反應堆。

迪南的創業公司應用聚變系統（Applied Fusion System）是越來越多投資核聚變領域的公司之一。僅在英國，已有至少兩家公司試圖建造商用核聚變電站。根據去年的報道，在美國，不少項目獲得了身家數十億美元的科技大咖的投資，比如亞馬遜創始人杰夫·貝索斯、微軟聯合創始人保羅·艾倫、PayPal聯合創始人彼得·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越來越不可持續依賴化石燃料，向其他可持續能源的轉變迫在眉睫。但太陽能和風能這些可再生能源又不完全可靠，而核裂變又因為其產生有害物質而始終未被廣泛應用。

“看到這么多私人投資者開始投資核聚變領域我一點也不驚訝，” 英國原子能管理局局長兼庫倫漢姆聚變能中心負責人伊恩·查普曼說，“這種能源產量極高，且無放射性廢物，土地占有極少，更重要的，它還是可持續的。”換言之，利潤空間也是極大的。

當Iter可以投入使用后——目前計劃是在2025年——該反應堆預期產能為500兆瓦，是觸發核聚變反應所需能量的10倍。但最終結果仍有待觀察。查普曼表示：“我們仍處于努力讓生成能量多于投入能量的階段，以及解決用于商業規模的可行性問題。至少目前而言，私人企業仍落后于我們。”

如果Iter能成功，將成為全球能源格局發生革命性轉變的開端。和行業內的其他公司一樣，迪南相信那些已經掌握反應堆制造技術的人將獲得最大的回報。

前進

迪南破解聚變的方法來自庫倫漢姆中心科學家多年研究的結果。他的公司打算建造一個基于庫倫漢姆中心試驗反應堆而設計的球狀托克馬克。托克馬克反應堆通過把氫原子加熱到可以形成等離子體——即超高溫帶電氣體——的狀態來工作。強大的磁場使這些發光的離子處于懸浮狀態并擠壓在一起，以增加導致聚變的碰撞幾率。

庫倫漢姆中心設計的托克馬克反應堆外形上更扁更圓，專門用于Iter，并且理論上其中聚變反應需要的能量應該更少。

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

在庫倫漢姆中心設計的不銹鋼反應容器內部，該托克馬克可以在2300萬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。

應用聚變系統公司的運營主管詹姆斯·蘭伯特說：“我們打算先建造幾個這樣的反應堆，然后測試我們自己的想法。第一個反應堆肯定不會產生凈能量，不過我們的目標是輸出100兆瓦以下的電能。”

蘭伯特說，超級計算機上的模擬運行有助于了解等離子體在反應堆內的運行，從而加速設計過程。同時，他們正在研究3D打印組件的方法，進一步加快測試流程。“等離子體的運行不可預測，”他說，“現在，超級計算機的價格已經大幅下降，這使得核聚變研究人員能夠在建造反應堆之前先測試他們的理念。”

應用聚變系統正步入一個競爭日漸激烈的市場。英國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計來建造小型核聚變反應堆發電站。

托克馬克能源公司的首席執行官說：“我們已經了解了足夠多的物理理論來使這些機器工作。現在，我們需要解決的是一系列工程難題。”

另一家從牛津大學分離出來的公司“曙光聚變”則采取了不同的方法。該公司希望開發利用一種被稱為慣性約束核聚變的技術。然而，到目前為止這項技術只能實現觸發聚變反應所需條件的三分之一。

加州夢

盡管困難重重，核聚變已然吸引了硅谷和互聯網億萬富豪的想象力，紛紛試圖創造自己的“登月計劃”。其中之一有微軟聯合創始人保羅·艾倫。他曾投資過加州的三角能源公司。在過去20年中，該公司已經開發了一個在反應室內相互發射高能量等離子體的反應堆。與使用氫同位素做聚變燃料不同，他們采用的是另一種元素硼——但這需要更高的反應觸發溫度。

亞馬遜首席執行官杰夫·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3米寬的反應室內部布滿了220個活塞，當這些活塞同時啟動時將產生沖擊波，然后將液態鉛和鋰發射到已經互相加速的兩個等離子體環中。

不管采取何種方法，巨大的挑戰仍然存在。

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

核聚變反應還會釋放出被稱為中子的亞原子粒子，這些中子會飛出并撞擊反應堆墻壁，甚至撞壞最堅硬的金屬。“核聚變反應堆將是地球上密度最高的中子源，”查普曼說，“我們必須弄清楚這些中子會如何影響我們用來制造反應堆的材料。而這又是極其復雜的科學難題。”

英國庫倫漢姆中心的科學家如今正在尋找這一解決方案，其中包括斥資300萬英鎊對他們的反應堆進行升級。升級后的反應堆采用新的磁場配置來將熱量分散至更廣泛區域。與此同時，迪南已經在倫敦郊區尋找合適的地方來建造他的反應堆。

“能在這時候進軍核聚變領域著實令人興奮，”查普曼說，“仿佛我們終于踏入了核聚變夢想成真的時代。”