日期:2022/10/27   IAE 報導

空氣中瀰漫著緊張的興奮。六名科學家坐在電腦屏幕後面，在面板之間翻來覆去，進行最後一分鐘的檢查。 “去讓槍變得危險，”其中一個告訴一名技術人員，他溜進了相鄰的房間。發出一聲低沉的嗶嗶聲。 “準備好了，”運行測試的人說。控制室陷入沉默。然後，轟隆隆。

隔壁，3公斤的火藥將1500升的氫氣壓縮到10000倍大氣壓，以每秒6.5公里的速度向9米長的兩級輕氣槍的槍管發射彈丸，比普通火藥快10倍左右。步槍的子彈。

在監視器上，科學家們正在檢查下一階段，當射彈猛烈撞擊目標時——一個經過精心設計的透明小塊，以放大碰撞的力量。射彈需要完全齊平地擊中目標。最輕微的旋轉就有可能使經過仔細校準的物理學脫軌。

“感謝上帝，”其中一名技術人員在查看了有關科學火砲影響的視頻播放後感嘆道。這是一個完美的鏡頭。

在英國牛津城外的一個商業園區，First Light Fusion 的房間裡的人們剛剛見證了一項 60 年任務中的又一個充滿希望的步驟，該任務旨在回答科學中最複雜的問題之一：如何利用為核聚變提供動力的聚變反應太陽在地球上產生清潔，無限的電力。

聚變能的潛力，首先由蘇聯開創，幾十年來一直吸引著科學家們，但似乎總是遙不可及。

“聚變可能是人類有史以來最大的技術挑戰，”亞瑟·特瑞爾說，他的書《星際建造者》描繪了工程師、物理學家和數學家為實現某些人仍然認為不可能的事情而長達數十年的努力。 “它有多接近不是取決於時間，而是取決於實際到達那裡的意願、投資和資源承諾。”

越來越多的私營公司，包括 First Light，現在希望通過證明聚變能可以工作並在 2030 年代盡快將其連接到電網，將這些年的公共研究商業化。

與原子分裂時的核裂變不同，聚變不會產生大量放射性廢物，也永遠不會導致核事故，例如切爾諾貝利事故。最有效的聚變化學輸入——氘和氚——也廣泛可用。

科學家們認為，這一過程產生的燃料中，僅一杯就具有 100 萬加侖石油的能源潛力，並且根據聚變方法的不同，可以產生多達 900 萬千瓦時的電力，足以為一個家庭供電 800 多年。估計。

其支持者說，這些特性意味著融合，通過提供廉價、無限的零排放電力，可以真正拯救世界。

“我能再樂觀了，”矽谷風險投資家山姆奧特曼說，他最近向美國核聚變初創公司 Helion 投資了 3.75 億美元。 “除了是我們擺脫氣候危機的最佳途徑之外，更便宜的能源對社會來說也是變革性的。”

蘇聯時代的想法，私有化
蘇聯物理學家在 1950 年代使用稱為磁約束聚變的方法開發了第一台聚變機。託卡馬克——在俄語中是帶有磁性線圈的環形室的縮寫——使氘和氚（都是氫同位素）的等離子體能夠被強大的磁鐵固定在適當的位置，並加熱到比太陽還高的溫度，從而使原子核融合，產生氦並在此過程中釋放能量。

問題是，雖然科學家們已經熟練地融合了這兩種同位素，但蘇聯的託卡馬克以及此後開發的所有其他融合系統都需要大量的能量。在半個多世紀的嘗試中，沒有一個團隊能夠從聚變反應中產生比系統消耗更多的能量。

“我們什麼時候能從聚變中獲得電力？誰他媽知道？”科學作家史蒂文·克里維特 (Steven Krivit) 說，他 20 年來一直是聚變能錯誤開端的批判性觀察者。 “在我們看到有人有效地提供電力之前，我們仍然在做科學，我們不是在做技術。”

但在過去六個月公共和私營部門的一系列突破之後，一些行業參與者的希望要大得多。今年 5 月，在中國，一台名為東方的機器——實驗性先進超導託卡馬克裝置——成功地在 120m 攝氏度下維持了創紀錄的 101 秒的聚變反應。磁約束聚變通常需要超過 100m C 的溫度以前曾達到過，但從未持續如此長時間。

然後在 9 月，一家位於波士頓的初創公司展示了使用高溫超導體來產生比傳統託卡馬克強得多的磁場。來自麻省理工學院的 Commonwealth Fusion Systems 集團相信，這一發現將使其能夠製造出更高效的聚變機器，這種機器將更小、更便宜，並且作為商業能源更可行。

Nicholas Hawker，First Light Fusion 36 歲的首席執行官，他與前物理學教授 Yiannis Ventikos 共同創立了這家公司 © Tom Pilston/FT
CFS 首席執行官 Bob Mumgaard 將這一突破與計算的發展進行了比較。 “計算機，當他們有真空管的時候，佔據了整個房間。然後當他們有了晶體管時，你可以讓計算機變得更小，突然之間，不做計算機的人也可以做計算機了，”他說。

“如果你想一想整個世界需要什麼才能以人們應得的方式生活並擁有一個宜居的星球，那麼融合有很多非常理想的屬性，”他說。發電的下一步是建設一個名為 Sparc 的示範工廠，其面積約為網球場的一半，CFS 希望到 2025 年實現淨能源發電，然後在 2030 年代建成商業發電站。

“我們正在使用已知科學、新工程和新材料，”意大利石油巨頭 Eni 的物理學家 Francesca Ferrazza 說，該公司自 2008 年以來一直與 MIT 合作，是 CFS 的最大外部投資者。 “我們的目標是成為 [聚變能源] 領域的參與者，在價值鏈的各個部分都佔有一席之地，”她說。

新成立的 Fusion Industry Association 首席執行官 Andrew Holland 表示：“Fusion 即將到來，比您預期的要快。”該協會統計全球該行業的私營企業數量為 35 家，並且還在不斷增長。

耐心等待
私營部門參與該行業相對較新。在 20 世紀下半葉，國際公共財團推動了聚變研究，世界上最大的項目仍然由政府資助。

為了應對石油危機和價格上漲，美國能源部於 1976 年幫助建立了麻省理工學院的等離子體聚變中心——現在的等離子體科學和聚變中心。 1984 年，仍然是世界上最先進的託卡馬克裝置的歐洲聯合圓環在牛津南部的一個村莊 Culham 開放。然後在 1985 年，美國總統羅納德·裡根和他的蘇聯總統米哈伊爾·戈爾巴喬夫同意在 ITER 上進行合作——國際熱核實驗反應堆——世界上最大的核聚變項目，旨在緩解冷戰緊張局勢。

一些專家認為 ITER 仍然最有可能首先生產淨能源，但該項目是 35 個國家之間的合作項目，近 40 年後仍在法國建設中，估計成本超過 200 億美元，已成為冰川進展的代名詞.

加拿大通用核聚變公司首席執行官克里斯托弗·莫里 (Christofer Mowry) 說：“如果沒有 ITER 計劃中開發的科學，任何一家私營核聚變公司都不會今天在這裡。” “但不應將 ITER 的成本和時間表用作開發和商業化聚變能源所需的參考點。”

科學家們在牛津郡的 First Light 上監督著毒氣槍的發射。在此過程中，3 公斤火藥將 1,500 升氫氣壓縮至 10,000 倍大氣壓，以每秒 6.5 公里的速度發射彈丸 © Tom Pilston/FT
Mowry 於 2017 年加入這家由 Jeff Bezos 支持的公司，他確信私營部門將讓聚變能成為現實。他將其與埃隆·馬斯克 (Elon Musk) 的 SpaceX 在推進商業進入太空前景方面所發揮的作用進行了比較。

“SpaceX 並沒有發明火箭科學。它花了 50 年的時間進行研究，運用了一些現代技術，製造出更好、更快、更便宜的阿波羅，”他指的是美國航天局的計劃。

Mowry 說，General Fusion 的方法被稱為磁化目標聚變，它的不同尋常之處在於它在設計時考慮到了商業上可行的發電廠。它使用一系列蒸汽動力活塞將等離子體快速壓縮至聚變條件，並使用液態金屬壁吸收反應產生的熱量，然後用於產生蒸汽以驅動渦輪發電機。其首個示範工廠的建設計劃於明年在 Culham 開始，並於 2025 年完成。

據行業協會稱，私營聚變公司總共籌集了 23 億美元的投資。就在本月，Altman 的 Helion 籌集了超過五分之一的資金，該公司使用了另一種稱為脈衝非點火聚變的方法。它包括在一個 40 英尺寬、6 英尺高的啞鈴形“等離子加速器”中將燃料的溫度提高到 100m C，以在反應擴大並推回系統磁場時捕獲能量。

Mowry 認為，方法的多樣性是新興行業的優勢之一。 “私營企業接受更大的風險，以更快、更便宜地發展，”他說。 “這意味著並非所有鏡頭都會進入，但世界並不需要它們都進入。”

受污染的部門
在牛津的 First Light，科學家們的希望不是寄託在氣槍上——它用於測試科學，但不會成為未來電力系統的一部分——而是寄託在用於容納氘氚燃料和放大的目標上彈丸的影響。

First Light 基於慣性約束聚變理論的假設是，通過以超過每秒 20 公里的速度向目標發射彈丸——足以在 4 分鐘內從倫敦飛到紐約——它們可以產生足夠的能量來迫使氘和氚融合，使目標汽化，同時產生相當於燃燒 10 桶石油的能量。

First Light 由 36 歲的首席執行官尼古拉斯·霍克 (Nicholas Hawker) 和他的前物理學教授揚尼斯·文蒂科斯 (Yiannis Ventikos) 創立，對目標的組成和設計持謹慎態度，公司對此保持嚴密保護。他們總部的複製品——一個透明的立方體，寬一厘米多一點，裡面有兩個球形膠囊——看起來像超級英雄電影中的道具。

“這是終極濃縮咖啡膠囊，”霍克說，並解釋說 First Light 希望將目標製造和銷售給未來的發電廠——根據其設計建造——這需要每 30 秒蒸發一個以產生持續的電力。他說，他被吸引到“超越人類知識的邊緣工作”。

然而，正是這種複雜性使得索賠難以核實並污染了該行業。

1951 年，在冷戰最激烈的時期，阿根廷總統胡安·庇隆 (Juan Perón) 說服全世界，他的科學家們利用了聚變能，成為全球報紙的頭條新聞。他說，聚變燃料很快就會出現，就像牛奶一樣，裝在半升的瓶子裡。將近 40 年後的 1989 年，猶他大學的兩名化學家表示，他們已經能夠在實驗室工作台上的一個簡單的電化學電池中在室溫下融合原子核，這一說法在幾週內就被揭穿了。

此類事件繼續給該行業帶來壓力。科普作家克里維特認為，在一個團隊證明它可以通過聚變反應發電之前，潛在投資者應該對私營公司的主張持懷疑態度。

First Light 工程師在牛津附近的電磁發射器上工作 © Tom Pilston/FT
然而，毫無疑問，正在取得進展，包括在美國政府的國家點火設施中，8 月份，科學家們使用 192 台激光產生了似乎最接近實現淨能量的聚變反應。

“這是幾十年來核聚變領域的最大突破，”特瑞爾說，並補充說，在 2030 年讓核聚變能源進入電網是一個“宏偉的抱負”。

“但如果他們在 2040 年實現這一目標，那對世界來說仍將是一場巨大的勝利，”他補充道。 “即使他們在 2050 年之後到達那裡並且世界已經 [已經] 達到淨零排放 這仍然是人類的巨大勝利，因為我們需要能源組合。”

特瑞爾說，在那個階段，聚變可用於為能源密集型碳捕獲系統提供動力，使世界能夠開始扭轉，而不是減緩氣候變化帶來的一些環境破壞。

霍克贊同這一觀點。他說，現有的可再生能源，特別是風能和太陽能，可以擴大規模以取代化石燃料，但由於全球能源系統的電氣化和發展中國家能源消耗的增加，電力需求也將難以滿足預測的增長。

他引用氣候作家 Solomon Goldstein-Rose 的著作說，到 2050 年，世界需要的清潔電力將是今天生產的 12 倍。 “我們在現有圖片之上添加的任何東西都是一件很棒的事情，”霍克說，“我們應該以最快的速度去做。”