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(lǐng)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(shù)降低了私營企業(yè)的準(zhǔn)入門檻，使這些私企得以制造小型、緊湊的聚變反應(yīng)堆。

核聚變的漫長發(fā)展歷程
在20世紀(jì)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(yīng)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(shè)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(dá)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(jìn)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(dāng)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(jìn)展。 1997年，在牛津郡卡勒姆聚變能源研究中心進(jìn)行的歐洲聯(lián)合環(huán)實驗（JET）中，科學(xué)家用一臺建設(shè)在當(dāng)?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(yīng)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(biāo)邁進(jìn)了一大步。

應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(fēng)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(lǐng)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(jī)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(yīng)堆（CFR），體積將是之前概念反應(yīng)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(xué)研究的國防設(shè)備提供商。據(jù)說該公司參與了中國核聚變工程測試反應(yīng)堆（CFETR）項目。該項目有望成為首個核聚變發(fā)電廠。

技術(shù)進(jìn)步也降低了私營企業(yè)的準(zhǔn)入門檻。 諸如3D打印等快速成型技術(shù)使得像應(yīng)用聚變系統(tǒng)這樣的公司得以制造小型、緊湊的聚變反應(yīng)堆，并加快了設(shè)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(shè)備JET，并擁有實力最強(qiáng)和最協(xié)調(diào)的核聚變研究項目，并為本世紀(jì)中葉實現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)提供了詳細(xì)的路線圖�！�

然而，中國目前仍然保持著很多紀(jì)錄。 今年7月，由中國科學(xué)院承擔(dān)的先進(jìn)實驗超導(dǎo)托卡馬克（EAST）實現(xiàn)了電子溫度達(dá)5000萬開氏度、持續(xù)時間達(dá)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(jì)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(biāo)。當(dāng)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(lǐng)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(shè)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(biāo)是在今年年底達(dá)到1500萬度的等離子體溫度，到2018年達(dá)到1億度，并在2019年接近達(dá)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(jìn)程可能會加快。”
而應(yīng)用聚變系統(tǒng)公司則預(yù)計在2022年之前建成兩座小型環(huán)形托卡馬克。“一座作為發(fā)電機(jī)，另一座則作為原型樣機(jī)，”該公司首席執(zhí)行官迪南說。

核聚變研究領(lǐng)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(qiáng)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(shè)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(qiáng)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(shù)難題需要攻克。 查普曼說：“按照目前的托卡馬克設(shè)計和技術(shù)，只有規(guī)模相對較大的聚變發(fā)電站才有經(jīng)濟(jì)上的可行性，盡管所謂的球面托卡馬克設(shè)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(rèn)為規(guī)模越大性能就越好。 技術(shù)的進(jìn)步意味著我們不必通過建造大規(guī)模的設(shè)備達(dá)到我們想要的結(jié)果。 “如果你在1997年問科學(xué)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(jī)的成本大跌，我們意識到小型且有效的反應(yīng)堆技術(shù)的關(guān)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(shè)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(xué)研究，但是這種大規(guī)模項目的進(jìn)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(dá)到ITER規(guī)模的30分之一�！�

未來的聚變反應(yīng)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(xué)團(tuán)隊設(shè)計的球形托卡馬克與麻省理工學(xué)院的高溫超導(dǎo)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(yīng)堆的規(guī)模要小很多�！拔覀冊趹�(yīng)用聚變系統(tǒng)公司建造的兩座反應(yīng)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(dá)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(biāo)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(rèn)識到該技術(shù)的潛力，值得進(jìn)一步研究�！�

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