3D打印降低私營企業(yè)入局門檻,核聚變發(fā)電升溫

太陽的核聚變?yōu)槲覀冊诘厍蛏系纳�存提供了陽光。而事實證明，要通過同樣的過程得到取之不盡的清潔能源則并非易事。但經(jīng)過70多年的研究，再加上近來私營公司異軍突起，大量參與核聚變領域的研究，似乎核聚變時代不久將會到來。諸如3D打印等快速成型技術降低了私營企業(yè)的準入門檻，使這些私企得以制造小型、緊湊的聚變反應堆。

核聚變的漫長發(fā)展歷程
在20世紀50年代，世界各地的研究人員嘗試建造儀器，模擬恒星的內(nèi)部環(huán)境。但是完成氫原子聚合成氦原子核并釋放能量的過程十分困難。單單是開啟該反應就需要巨大的壓力和1.5億度的高溫。

多年來，前蘇聯(lián)和美國等國家競相完善各自的設備，重點研究一種被稱為托卡馬克的裝置，它是一個有著“甜甜圈”外形的磁體，利用磁約束將等離子體束縛在裝置內(nèi)。

然而，到1985年，歐洲原子能共同體、日本、美國以及前蘇聯(lián)之間達成了一項前所未有的合作項目——國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。
30多年后，這項合作仍在繼續(xù)。 目前，歐盟、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國等國都參與了該項目。 ITER計劃在法國南部建造一臺托卡馬克裝置。 該項目進度已經(jīng)落后計劃十余年，其成本也在不斷飆升。

約費：特朗普當選美國總統(tǒng)促使德國反思，其中一個很有趣的問題是核武器。事實上，德國是自己放棄了核選項。不過項目也取得了一些進展。 1997年，在牛津郡卡勒姆聚變能源研究中心進行的歐洲聯(lián)合環(huán)實驗（JET）中，科學家用一臺建設在當?shù)氐耐锌�馬克裝置輸出了1.6萬千瓦的聚變能。由于觸發(fā)反應需要2.5萬千瓦的輸入功率，此次實驗并不算成功，但卻向目標邁進了一大步。

應用聚變系統(tǒng)公司是一家總部位于倫敦、致力于打造核聚變反應堆的私營企業(yè)。其首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人理查德•迪南說：“取得這一偉大成就之后，七國政府花費了10年的時間才定下了下一個ITER項目的地點。在政治上白白浪費了十年時間。”

私營企業(yè)能否分一杯羹？
面對如此緩慢的進展，私營企業(yè)如今開始站出來迎接挑戰(zhàn)。 英國原子能管理局局長伊恩•查普曼教授表示：“私營部門越來越多地參與核聚變的研究反映了這一市場巨大的風險回報——這是一種資源豐富、環(huán)保并且安全的新型發(fā)電方式�！�

如此看來，世界各國公司投身該領域的競爭就不足為奇了。2011年，亞馬遜總裁杰夫•貝佐斯為加拿大的通用聚變公司提供了資金支持，這是一家正在嘗試建造世界上第一個核聚變發(fā)電廠的初創(chuàng)企業(yè)。 今年5月，該公司與微軟合作，利用其計算能力來分析通用聚變公司得到的大量實驗結(jié)果。 大數(shù)據(jù)分析是私營公司得以參與聚變研究的原因之一。

今年7月份，谷歌宣布對核聚變研究的興趣。 作為搜索引擎巨頭，谷歌一直與微軟聯(lián)合創(chuàng)始人保羅•艾倫支持的私營企業(yè)三阿爾法能源公司合作，共同致力于研發(fā)一套可以加快等離子體實驗的計算機算法。

美國航空航天公司洛克希德•馬丁公司的臭鼬工廠項目也在2014年宣布，它正在研發(fā)緊湊型聚變反應堆（CFR），體積將是之前概念反應堆的十分之一。

通用原子能公司總部位于加利福尼亞州的圣地亞哥，是一家專門從事核物理學研究的國防設備提供商。據(jù)說該公司參與了中國核聚變工程測試反應堆（CFETR）項目。該項目有望成為首個核聚變發(fā)電廠。

技術進步也降低了私營企業(yè)的準入門檻。 諸如3D打印等快速成型技術使得像應用聚變系統(tǒng)這樣的公司得以制造小型、緊湊的聚變反應堆，并加快了設計迭代的速度。

查普曼教授稱，核聚變?nèi)允侨�球性的挑�?zhàn)，參與ITER項目的國家還是走在前面的�！皻W盟擁有世界上最大的設備JET，并擁有實力最強和最協(xié)調(diào)的核聚變研究項目，并為本世紀中葉實現(xiàn)發(fā)電目標提供了詳細的路線圖�！�

然而，中國目前仍然保持著很多紀錄。 今年7月，由中國科學院承擔的先進實驗超導托卡馬克（EAST）實現(xiàn)了電子溫度達5000萬開氏度、持續(xù)時間達101秒的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束等離子體運行，創(chuàng)造了新的世界紀錄。私營企業(yè)要出頭，就看他們能否以更快的速度實現(xiàn)那個目標。當然，激烈的競爭也會刺激他們朝著這個方向努力。

市場競爭加劇
牛津郡的托卡馬克能源公司，創(chuàng)建于2009年，是世界領先的私營聚變能源公司之一。 今年4月，該公司最新的ST40 托卡馬克設備生成了第一批等離子體。

公司首席執(zhí)行官大衛(wèi)•金厄姆博士說：“我們的目標是在今年年底達到1500萬度的等離子體溫度，到2018年達到1億度，并在2019年接近達到聚變能增益條件�！�

“我們計劃在2025年之前實現(xiàn)試點工廠的首次發(fā)電，并在2030年前實現(xiàn)并網(wǎng)，隨著投資的快速增長，該計劃進程可能會加快�！�
而應用聚變系統(tǒng)公司則預計在2022年之前建成兩座小型環(huán)形托卡馬克�！耙蛔�作為發(fā)電機，另一座則作為原型樣機，”該公司首席執(zhí)行官迪南說。

核聚變研究領域的公共資助項目主要有兩大類， 一是磁性聚合裝置，如JET和ITER。 它們利用強大的磁場束縛住聚變產(chǎn)生的熱能。 此類研究包括一些具有潛力的設備，托卡馬克就是其中之一。

第二類研究方法稱為“慣性聚變”，它利用強力的激光或X射線源引爆小顆粒燃料。 查普曼說：“人們積極探索以上兩種途徑，沒有理由這兩種方法都不能走向商業(yè)化�！�

聚變發(fā)電站的小型化趨勢
經(jīng)過數(shù)十年的研究，托卡馬克脫穎而出成為“贏家”， 但是仍有一些技術難題需要攻克。 查普曼說：“按照目前的托卡馬克設計和技術，只有規(guī)模相對較大的聚變發(fā)電站才有經(jīng)濟上的可行性，盡管所謂的球面托卡馬克設計有可能會降低未來發(fā)電廠的規(guī)模和成本�！�

但并非所有人都認為規(guī)模越大性能就越好。 技術的進步意味著我們不必通過建造大規(guī)模的設備達到我們想要的結(jié)果。 “如果你在1997年問科學家如何確保托卡馬克成功運行，他們會告訴你，它的規(guī)模必須要大，”迪南說。 “此后，超級計算機的成本大跌，我們意識到小型且有效的反應堆技術的關鍵是要充分了解等離子體的性能。”

從核聚變未來的發(fā)展看，較小規(guī)模的設備可能有一個好處，就是它們執(zhí)行速度較快�！跋馡TER這樣的大型項目適合國際合作和科學研究，但是這種大規(guī)模項目的進展緩慢，” 金厄姆表示。 “聚變能源未來的規(guī)模將會更小，雖然可能不會像卡車尺寸那么小，但體量上也將是達到ITER規(guī)模的30分之一�！�

未來的聚變反應堆可能會大小不一、形狀各異。 托卡馬克能源公司正著力研究托卡馬克的變體，它結(jié)合了普林斯頓大學團隊設計的球形托卡馬克與麻省理工學院的高溫超導體磁體的優(yōu)點。 但這不是唯一的發(fā)展方向。 “未來肯定不只有一個贏家，” 金厄姆說。

有一些反應堆的規(guī)模要小很多�！拔覀冊趹�用聚變系統(tǒng)公司建造的兩座反應堆的主半徑為1.1米，單個成本為4000萬英鎊（合5200萬美元），”迪南說。 “這與造價高達120億英鎊（150億美元）的 “巨獸”ITER形成了對比。

無論其形狀或大小如何，人類還不打算放棄核聚變的夢想。這個目標實在太誘人。 有了聚變能，一個人沖一次澡的水量就可以提供一年所需的能源。

“核聚變能一旦實現(xiàn)商業(yè)化，將對電力市場產(chǎn)生變革性的影響。” 查普曼說，“無論是公共資金資助還是私人投資的研究項目都認識到該技術的潛力，值得進一步研究�！�

來源：FT中文網(wǎng)
延伸閱讀：匹茲堡大學獲百萬美元資助開發(fā)3D打印核反應堆傳感器