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要实现核聚变发电商业化,初创公司有哪些优势和挑战?

Stanley Reed2019-05-16 06:56:50

“不是每天都能遇到开发清洁能源的新技术。这可能会变成一个重要的行业。”

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

英格兰亚恩顿电 — 这是一个周五下午,在牛津大学附近一座仓库里,几名科学家正围在乒乓球桌旁一排电脑屏幕前有说有笑。只听一阵警笛响起,谈笑声戛然而止。

一位科学家开始计数:“10……20……30……,”而在厚墙另一边,隔壁房间里一台庞大的机器开始运作。没过几秒钟这位科学家就命令道:“启动!”

只听一声巨响如枪声般在大楼里回荡,爆炸的威力相当于几百次闪电同时释放的能量。

“干得好。”片刻之后有人说道,屋里的人们又接着聊起了天。科学家们朝着利用宇宙能量的目标又迈出了一小步,而周末假期也在向他们招手。

“我毫不怀疑”

利用核聚变发电似乎是种遥不可及的幻想:这是一种让太阳发光发热的力量。当质量较小的原子核聚变成质量较大的原子核时,就会释放出巨大能量。这一过程产生了光,也为人类诞生创造了条件。如果没有核聚变,宇宙就是一个冰冷、黑暗、了无生气的世界。

自 1930 年代以来,科学家一直在尝试利用核聚变。他们相信聚变产生的能量可以用来发电,甚至能把人类送往其它星球。

氢、氦原子聚变反应需要超高温高压。几十年来,核聚变一直是大型科研项目专属的研究对象。比如国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)共有 35 个国家参与,它的实验装置位于法国南部,占地 100 英亩(约合 40.5 公顷),最终造价预计将超过 200 亿美元。

但类似的计划进展缓慢,难以制造出一台产生能量大于它吸收能量的机器。

如今,核聚变研究则吸引了一批具有科学头脑的创业家和眼光长远的投资者。他们发现小公司比政府资助的大机构更灵活,他们对气候变化带来的威胁更敏感,因而希望找到一种充满无限可能的能源:它的能量是石油和天然气的几百万倍,远远超过了核能,而且不会像化石燃料那样产生碳排放。

看好核聚变的人们还认为,现今核电站面临的大部分威胁它都不会有(核电站靠的是分裂原子核,而不是聚合原子核)。核聚变发电也比风能和太阳能更有优势,因为后两者并不稳定,风轮机和太阳能板还会占据大量空间。

研究型公立大学伦敦帝国理工学院(Imperial College)物理教授罗宾·格兰姆斯(Robin Grimes)表示:“我毫不怀疑人类有朝一日能让核聚变发电变成现实。我们别无选择”

First Light Fusion 公司联合创始人尼克·霍克正在公司位于英格兰牛津的设备室内。他表示:“我们真的需要开发新技术,不然情况就会变得很艰难。”图片版权:Ben Quinton for The New York Times

“世界上最难的问题”

在牛津郊外的一座工业园里,First Light Fusion 公司正在挑战传统的能源观念。这家公司于 8 年前由当时正在牛津大学读博士的尼克·霍克(Nick Hawker)和他的论文导师扬尼斯·文蒂科斯(Yiannis Ventikos)共同创办。今年 33 岁的霍克表示,他最初对核聚变产生兴趣是因为它是“世界上最难的问题”。

身为公司首席执行官,霍克认为核聚变可以帮助人类对抗全球变暖,因为解决气候变化问题不仅需要在风能、太阳能等领域投入巨资,而且需要大量稳定无污染的电力资源。而霍克表示,核聚变可以满足很大一部分需求:“我们真的需要开发新技术,不然情况就会变得很艰难。”他没有选择到高校或政府实验室工作,而是向牛津大学等投资方募集了约 3000 万美元,踏上了一条不那么传统的道路。

核聚变实验通常会用到一种叫做“托卡马克”的环形装置,科学家要将其中的等离子体加热到极高的温度。实验会消耗巨大能量,所用材料也必须能承受超过 1 亿摄氏度的高温。

不过霍克的方法是向靶标发射“子弹”,他的实验一个星期大约能重复三次。具体来说,他要把硬币大小的“子弹”圆片以近 5 万英里(约合 8 万公里)的时速,射到几厘米之外包在透明塑料中充当“燃料团”的氢同位素上。氢同位素发生碰撞后会被压缩,从而使氢原子发生聚变反应形成氦原子。按照霍克的计划,不断强化并重复这种释放热量的过程,就能实现核聚变发电。

至少在理论上是这样的。

霍克向我解释他的实验原理时,First Light 公司的骄傲、一台直径约 12 米、高 3.5 米的装置就在我们身旁。它是一个用玻璃加固的塑料框架,上面摆放着一只只蓝色电箱,中间则是一间钢制的真空室。这台公司自行研制的装置被称为“机器 3 号”(Machine 3),造价近 500 万美元,它也是公司未来的核反应堆,有近 40 名科学家围着它工作。它几乎占据了整个房间,其发射的“子弹”电磁场极强,在百万分之一秒内电压最高可达 200 千伏,电流超过 1400 万安培,威力相当于 500 道闪电同时释放产生的能量。

“机器 3 号”是 First Light 公司的骄傲。图为这台机器的底部和靶室。图片版权:Ben Quinton for The New York Times

逢低买入

First Light Fusion 是欧洲为数不多的几家核聚变相关初创企业。它隶属由 17 家成员组成的核聚变行业协会(Fusion Industry Association),该协会致力于将核聚变技术商业化、维护私营企业的利益。

协会成员还包括同样位于牛津附近的托卡马克能源公司(Tokamak Energy),以及由麻省理工学院的科学家联合创立的联邦核聚变系统公司(Commonwealth Fusion Systems)。后者的投资方包括由微软创始人比尔·盖茨牵头发起的“突破能源风投基金”(Breakthrough Energy Venture),另外意大利石油巨头埃尼集团(Eni)也为这家公司投资了 5000 万美元。据核聚变行业协会估计,投入这些创业项目的资金高达 10 亿美元至 15 亿美元(联邦核聚变系统等公司也与研究型大学有往来)。

不过创新不是初创企业的专利。位于新墨西哥州的桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)和位于加利福尼亚的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)也都在探索利用向靶标发射“子弹”的方法实现可控核聚变反应。

协助设计了“机器 3 号”的工程师保罗·霍利根(Paul Holligan)表示,First Light 公司团队效率很高,相比他在一家英国政府主导的顶尖实验室工作而言,自己“在 3 年里取得的成就比原先 20 年里的还多”。但 First Light 并不指望能在 5 年内实现营收,所以这需要投资者保持极大耐心。预计公司能通过授权、出售“燃料团”获得营收(在霍克看来,“燃料团”是公司的关键技术)。

有的人怀疑核聚变发电可能永远无法实现,有的人则看到了逢低买入的机会。

IP Group 公司 Cleantech 部门主管罗伯特·特雷佐纳(Robert Trezona)表示:“不是每天都能遇到开发清洁能源的新技术。这可能会变成一个重要的行业。”IP Group 是一家专门为高校旗下公司提供投资的公司,它也是 First Light 公司最大股东,所持股份价值 1100 万英镑。

投资公司 Sloane Robinson 的创始人休·斯隆(Hugh Sloane)表示,他很赞赏霍克的抱负和对细节的关注,而且霍克利用极少的资金取得了相当大的成就。斯隆之所以决定投资 First Light 公司,是因为他们重视气候变化,也因为投资英国初创企业能享受到纳税优惠。

不过斯隆也认为公司在短期内不可能实现营收。他表示:“为纯科学研究提供资金是一种非常明智的慈善行为。”

激光用来测量硬币大小的“子弹”射向几厘米之外“燃料团”时的速度。图片版权:Ben Quinton for The New York Times

人才与资金

霍克希望今年就能实现核聚变发电,然后筹集更多的资金用于更先进的装置。但是他设计制造的早期模型并不便宜,一台相对较小的商用发电机成本就高达 30 亿美元。

霍克的模型运作原理基于枪虾的独门秘器。这种海洋生物会猛然闭合虾钳,制造小规模的水下爆炸。而霍克的模型也利用撞击和压缩产生类似效果,这种方法相比其它商业实验成本要小得多。

尽管霍克实验的风险不小,但参与大型核聚变实验计划的物理学家都对新注入的资金和新来的人才表示欢迎。

英国国家核聚变研究实验室卡勒姆核聚变能源中心(Culham Center for Fusion Energy)首席执行官伊恩·查普曼(Ian Chapman)表示:“要实现商用聚变反应堆还有很多挑战,努力攻克这些问题的聪明人越多越好。”


翻译:熊猫译社 智竑

题图版权:Ben Quinton for The New York Times

© 2019 THE NEW YORK TIMES

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