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核聚变“新贵”




2014-10-09 | 作者：邓雪梅/编译 |点击： | 【大 中 小】【打印】【关闭】






　　　

　　通用核聚变公司的反应堆技术是通过活塞把燃料挤压到一个液体铅的旋转涡流中

　　● 在风险投资和诸多希望的推动下，可替代核聚变技术研究正在升温。然而，这些替代技术真的能够维持其势头并证明其可行，抑或像之前的一些核聚变梦想一样夭折？

　　要来到世界上最神秘的核聚变研发地之一，参观者必须在加利福尼亚尔湾东部圣塔安娜山脚下的一个办公区域下车，这里是一处占地很大却没有任何标志的美国核聚变研究基地——三阿尔法能源公司(Tri Alpha Energy)所在地。  

　　要进入公司总部，参观者必须签署保密协议后方可进入。为了保护商业秘密，三阿尔法公司甚至没有一个网站，但从其他一些过滤掉的信息片段可以表明，该公司用于核聚变实验的大楼正在运营。作为一个超常规的项目——不使用环形托卡马克反应堆（其在40年中主导了核聚变研究）——三阿尔法公司正在测试一个更小、更简洁、更便宜的核反应堆。或许，这个反应堆在不到十年的时间里可以实现商用聚变能源。

　　在过去的十年时间里，包括三阿尔法团队在内的美国、加拿大的物理学家相继推出了一些核聚变反应堆的替代设计，有些设计报告了令人鼓舞的结果。其中，三阿尔法公司的设计还吸引了可观的投资——已从微软联合创始人保罗·艾伦（Paul Allen）以及俄罗斯风险投资公司“奈米科技公司”募集了1.5亿美元。

　　然而，伴随着这种替代设计而来的更多的是审查。“要改变反应堆的比例，其中有非常棘手的问题要克服。”麻省理工学院的核物理学家杰弗里·弗里德伯格（Jeffrey Freidberg）说。比如，三阿尔法公司必须证明它能够实现高能值燃料所需的数十亿开尔文温度，并且有一个切实可行的将输出能量转化成电能的方法。“或许，类似的问题其他替.

      设计有解决的办法，”美国聚变能协会负责人斯蒂芬·迪恩（Stephen Dean）说，“但我不认为它们很快会实际应用。”

　　模仿太阳

　　

　　原则上，建造核聚变反应堆是一个模仿太阳的过程。其原理是：取适当氢或其他轻元素的同位素，加热后把电子从原子核中剥离，以形成离子化的等离子体。然后压缩等离子体使其暂时结合在一起，使原子核熔化并把其部分质量转换成能量。但在实践中，试图模仿一颗恒星会引起可怕的工程问题：例如，陷入磁场中的热等离子体易于扭曲翻转，就如同一条被激怒的蛇挣扎逃脱一样。   

　　事实上，从事核聚变研究的科学家一直青睐用托卡马克作为遏制等离子体“猛兽”的最佳方式。二十世纪五十年代前苏联物理学家开始研发并在十年后宣称，他们的反应堆达到了离子体密度，温度和约束时间比以往机器要高得多，提高了托卡马克控制高能量等离子体的方式。

　　一开始，许多物理学家怀疑托卡马克是否最终可以实现商业化的输出功率。尤其是初期阶段，其环形要由多个电磁线圈缠绕以形成限制等离子体的磁场，而更多的线圈则贯穿环形圈以驱动强大的电流，其复杂度是惊人的。

　　其次是燃料（氢的同位素氘-氚的组合）。氘-氚作为动力被广泛认为是反应堆的明智选择，因为它们的燃点低于其他任何组合——大约为1亿开尔文——但却释放出更高的能量。其中80%的能量来自加速的中子反应，这将对反应堆内壁造成破坏，使其具有高度放射性。为此，中子能量需要用传统的汽轮机加热水温——效率仅有30%～40%。

　　由于成本、复杂性加之进展缓慢，惯性约束聚变（实现受控热核聚变的途径之一）曾一度成为替代托卡马克磁约束的呼声很高——它的燃料芯块是由高功率激光束点燃致其产生内爆——比如，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF），就是科学家现实其对核聚变能量的承诺。  

　　不同预案

　　1998年，时年72岁的加利福尼亚大学物理学家诺曼·罗斯托克（Norman Rostoker）等人创办了三阿尔法能源公司。他们提出用硼11和质子组合以取代氘-氚组合——硼11是一种稳定的同位素，而点燃质子和硼11组合需要大约十亿开尔文温度，这个温度几乎是太阳中心的100倍。理论上，硼11和质子组合在聚变事件中产生的能量仅是氘-氚组合的一半，但反应生成物却不产生中子——恰好有3个α粒子（即氦核）。这些带电的α粒子，通过磁场进入到一个“逆回旋加速器”装置，后者将其大约90%的能量转化成电能。   

　　在托卡马克装置中点燃十亿开尔文温度的质子和硼11等离子体是不成问题的，但关键是控制住它的磁场。为此，罗斯托克团队设计了一组线性电抗器，看似两门彼此对垒的大炮——每个电抗器会点燃被称为等离子粒团的等离子体环，待等离子体中的离子流产生磁场后，进而束缚住等离子体。

　　为了启动反应堆，电抗器会把等离子粒团射向中央控制室，在那里，两个等离子粒团合并后会形成一个更大且自由运动的等离子粒团（后者会尽可能长时间地作为附加燃料用来供给）。此时，由反应堆产生的α粒子由另一个磁场经过电抗器被送回，并在能量转换器中被捕获。  

　　1997年，当罗斯托克团队公布了这个概念后，他们并没有得到美国能源部（DOE）的资助。DOE把赌注压在了似乎较为保险的托卡马克项目上，毕竟这项已经进行了几十年的实验，其里程碑式的发现几率似乎很大。很显然，这也是罗斯托克团队决定利用风险资金成立三阿尔法公司原因。

　　迪恩猜想，这种公司创办理念或许能解释为什么三阿尔法公司是如此的神秘。“作为风投公司的一部分，它可以激发人们的想象。”他说。在过去的五年时间里，三阿尔法公司陆续公布了一些实验结果，包括让员工出席一些相关会议。目前的试验样机是一个被称为C-2的十米装置，三阿尔法公司证明了相互碰撞的等离子粒团会像预期一样合并，只要注入燃料束，燃烧时间就能维持近4毫秒——以等离子体物理学的标准，这个时间是相当长的。去年，三阿尔法公司的郭侯杨（音译）在美国沃思堡市召开的等离子体会议上宣布，燃烧时间已经增至5毫秒。目前，该公司正在募集资金以建立一个更大的机器。  

　　作为投资人之一的艾伦认为，目前还不是质子和硼11反应，三阿尔法公司是通过氘来运行C-2反应，距离实现燃烧其最终燃料所需的极端等离子体条件还有很长的路要走。事实上，三阿尔法公司正在实施的是类似第一代核反应堆计划，该反应堆或将使用更传统的蒸汽涡轮机系统。  

　　其他概念

　　目前，华盛顿氦核能源公司正在研发一个小到足以放在卡车上的线性对撞束反应堆。该反应堆从四周向等离子粒团点火，在磁场的作用下，燃料在控制室内被“压碎”直至核聚变开始。在一秒钟内，核聚变产物随着下一对等离子粒团的挤入而流出，周而复始……“就好比是一台柴油机，”该公司首席执行官大卫·柯特利（David Kirtley）说，“在每次冲程中注入燃料，并用活塞挤压，直到无需火花便能点火，而燃料的爆炸给活塞以反作用力。”  

　　氦核能源公司正在寻求1 500万美元的私募融资，旨在未来五年里研发出用氘-氚燃料能达到等值的实际装置，尽可能多的产生能量，最终达到氘生成氦3所需的热条件——两个氦3可以形成α粒子和质子，而且过程没有中子生成。柯特利说，如果资金募集顺利的话，“我们的计划是在六年里让这些试点工厂联机。”

　　在加拿大伯纳比市，通用核聚变公司设计的反应堆其约束方式不同于其他，即将氘-氚等离子粒团射入到一个液体铅的旋转涡流中，然后借助一组活塞向内挤压。如果在几微秒内达到所需的压强，等离子体会内爆并产生核聚变的条件。该公司负责人米歇尔·拉伯格（Michel Laberge）说，这种设计的一个优点是，当液体铅遇到中子时不会发生变化。  

　　通用核聚变公司已经通过了一个由活塞驱动爆炸的小型设备的演示，并且从加拿大政府和风险资本公司募集到了5 000万美元。拉伯格说，如果再得到2 500万美元的资助，他们将建造一个更强大的内爆系统，或许在未来的两年里，就能实现把等离子体压缩到核聚变所需要的水平。   

　　尽管这些态势看似较为乐观，但迪恩估计，这至少需要十年或者更长的时间，其中的某项技术才可能真正应用于商业。因为其中有太多的新技术需要被证实。“我认为这些事情的动机是好的，应当予以资助——但我并不认为我们处在突破的边缘。”

　　尽管许多技术需要攻克，包括大量的资金可能来自于私营部门，但风险投资者们似乎愿意一试。“人们开始思考，也许有其他方法可行！值得一试。”华盛顿大学的等离子体物理学家约翰·斯劳（John Slough）如是说。

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2014-10-09 | 作者：邓雪梅/编译 |点击： | 【大 中 小】【打印】【关闭】






　　　

　　通用核聚变公司的反应堆技术是通过活塞把燃料挤压到一个液体铅的旋转涡流中

　　● 在风险投资和诸多希望的推动下，可替代核聚变技术研究正在升温。然而，这些替代技术真的能够维持其势头并证明其可行，抑或像之前的一些核聚变梦想一样夭折？

　　要来到世界上最神秘的核聚变研发地之一，参观者必须在加利福尼亚尔湾东部圣塔安娜山脚下的一个办公区域下车，这里是一处占地很大却没有任何标志的美国核聚变研究基地——三阿尔法能源公司(Tri Alpha Energy)所在地。  

　　要进入公司总部，参观者必须签署保密协议后方可进入。为了保护商业秘密，三阿尔法公司甚至没有一个网站，但从其他一些过滤掉的信息片段可以表明，该公司用于核聚变实验的大楼正在运营。作为一个超常规的项目——不使用环形托卡马克反应堆（其在40年中主导了核聚变研究）——三阿尔法公司正在测试一个更小、更简洁、更便宜的核反应堆。或许，这个反应堆在不到十年的时间里可以实现商用聚变能源。

　　在过去的十年时间里，包括三阿尔法团队在内的美国、加拿大的物理学家相继推出了一些核聚变反应堆的替代设计，有些设计报告了令人鼓舞的结果。其中，三阿尔法公司的设计还吸引了可观的投资——已从微软联合创始人保罗·艾伦（Paul Allen）以及俄罗斯风险投资公司“奈米科技公司”募集了1.5亿美元。

　　然而，伴随着这种替代设计而来的更多的是审查。“要改变反应堆的比例，其中有非常棘手的问题要克服。”麻省理工学院的核物理学家杰弗里·弗里德伯格（Jeffrey Freidberg）说。比如，三阿尔法公司必须证明它能够实现高能值燃料所需的数十亿开尔文温度，并且有一个切实可行的将输出能量转化成电能的方法。“或许，类似的问题其他替.

      设计有解决的办法，”美国聚变能协会负责人斯蒂芬·迪恩（Stephen Dean）说，“但我不认为它们很快会实际应用。”

　　模仿太阳

　　

　　原则上，建造核聚变反应堆是一个模仿太阳的过程。其原理是：取适当氢或其他轻元素的同位素，加热后把电子从原子核中剥离，以形成离子化的等离子体。然后压缩等离子体使其暂时结合在一起，使原子核熔化并把其部分质量转换成能量。但在实践中，试图模仿一颗恒星会引起可怕的工程问题：例如，陷入磁场中的热等离子体易于扭曲翻转，就如同一条被激怒的蛇挣扎逃脱一样。   

　　事实上，从事核聚变研究的科学家一直青睐用托卡马克作为遏制等离子体“猛兽”的最佳方式。二十世纪五十年代前苏联物理学家开始研发并在十年后宣称，他们的反应堆达到了离子体密度，温度和约束时间比以往机器要高得多，提高了托卡马克控制高能量等离子体的方式。

　　一开始，许多物理学家怀疑托卡马克是否最终可以实现商业化的输出功率。尤其是初期阶段，其环形要由多个电磁线圈缠绕以形成限制等离子体的磁场，而更多的线圈则贯穿环形圈以驱动强大的电流，其复杂度是惊人的。

　　其次是燃料（氢的同位素氘-氚的组合）。氘-氚作为动力被广泛认为是反应堆的明智选择，因为它们的燃点低于其他任何组合——大约为1亿开尔文——但却释放出更高的能量。其中80%的能量来自加速的中子反应，这将对反应堆内壁造成破坏，使其具有高度放射性。为此，中子能量需要用传统的汽轮机加热水温——效率仅有30%～40%。

　　由于成本、复杂性加之进展缓慢，惯性约束聚变（实现受控热核聚变的途径之一）曾一度成为替代托卡马克磁约束的呼声很高——它的燃料芯块是由高功率激光束点燃致其产生内爆——比如，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF），就是科学家现实其对核聚变能量的承诺。  

　　不同预案

　　1998年，时年72岁的加利福尼亚大学物理学家诺曼·罗斯托克（Norman Rostoker）等人创办了三阿尔法能源公司。他们提出用硼11和质子组合以取代氘-氚组合——硼11是一种稳定的同位素，而点燃质子和硼11组合需要大约十亿开尔文温度，这个温度几乎是太阳中心的100倍。理论上，硼11和质子组合在聚变事件中产生的能量仅是氘-氚组合的一半，但反应生成物却不产生中子——恰好有3个α粒子（即氦核）。这些带电的α粒子，通过磁场进入到一个“逆回旋加速器”装置，后者将其大约90%的能量转化成电能。   

　　在托卡马克装置中点燃十亿开尔文温度的质子和硼11等离子体是不成问题的，但关键是控制住它的磁场。为此，罗斯托克团队设计了一组线性电抗器，看似两门彼此对垒的大炮——每个电抗器会点燃被称为等离子粒团的等离子体环，待等离子体中的离子流产生磁场后，进而束缚住等离子体。

　　为了启动反应堆，电抗器会把等离子粒团射向中央控制室，在那里，两个等离子粒团合并后会形成一个更大且自由运动的等离子粒团（后者会尽可能长时间地作为附加燃料用来供给）。此时，由反应堆产生的α粒子由另一个磁场经过电抗器被送回，并在能量转换器中被捕获。  

　　1997年，当罗斯托克团队公布了这个概念后，他们并没有得到美国能源部（DOE）的资助。DOE把赌注压在了似乎较为保险的托卡马克项目上，毕竟这项已经进行了几十年的实验，其里程碑式的发现几率似乎很大。很显然，这也是罗斯托克团队决定利用风险资金成立三阿尔法公司原因。

　　迪恩猜想，这种公司创办理念或许能解释为什么三阿尔法公司是如此的神秘。“作为风投公司的一部分，它可以激发人们的想象。”他说。在过去的五年时间里，三阿尔法公司陆续公布了一些实验结果，包括让员工出席一些相关会议。目前的试验样机是一个被称为C-2的十米装置，三阿尔法公司证明了相互碰撞的等离子粒团会像预期一样合并，只要注入燃料束，燃烧时间就能维持近4毫秒——以等离子体物理学的标准，这个时间是相当长的。去年，三阿尔法公司的郭侯杨（音译）在美国沃思堡市召开的等离子体会议上宣布，燃烧时间已经增至5毫秒。目前，该公司正在募集资金以建立一个更大的机器。  

　　作为投资人之一的艾伦认为，目前还不是质子和硼11反应，三阿尔法公司是通过氘来运行C-2反应，距离实现燃烧其最终燃料所需的极端等离子体条件还有很长的路要走。事实上，三阿尔法公司正在实施的是类似第一代核反应堆计划，该反应堆或将使用更传统的蒸汽涡轮机系统。  

　　其他概念

　　目前，华盛顿氦核能源公司正在研发一个小到足以放在卡车上的线性对撞束反应堆。该反应堆从四周向等离子粒团点火，在磁场的作用下，燃料在控制室内被“压碎”直至核聚变开始。在一秒钟内，核聚变产物随着下一对等离子粒团的挤入而流出，周而复始……“就好比是一台柴油机，”该公司首席执行官大卫·柯特利（David Kirtley）说，“在每次冲程中注入燃料，并用活塞挤压，直到无需火花便能点火，而燃料的爆炸给活塞以反作用力。”  

　　氦核能源公司正在寻求1 500万美元的私募融资，旨在未来五年里研发出用氘-氚燃料能达到等值的实际装置，尽可能多的产生能量，最终达到氘生成氦3所需的热条件——两个氦3可以形成α粒子和质子，而且过程没有中子生成。柯特利说，如果资金募集顺利的话，“我们的计划是在六年里让这些试点工厂联机。”

　　在加拿大伯纳比市，通用核聚变公司设计的反应堆其约束方式不同于其他，即将氘-氚等离子粒团射入到一个液体铅的旋转涡流中，然后借助一组活塞向内挤压。如果在几微秒内达到所需的压强，等离子体会内爆并产生核聚变的条件。该公司负责人米歇尔·拉伯格（Michel Laberge）说，这种设计的一个优点是，当液体铅遇到中子时不会发生变化。  

　　通用核聚变公司已经通过了一个由活塞驱动爆炸的小型设备的演示，并且从加拿大政府和风险资本公司募集到了5 000万美元。拉伯格说，如果再得到2 500万美元的资助，他们将建造一个更强大的内爆系统，或许在未来的两年里，就能实现把等离子体压缩到核聚变所需要的水平。   

　　尽管这些态势看似较为乐观，但迪恩估计，这至少需要十年或者更长的时间，其中的某项技术才可能真正应用于商业。因为其中有太多的新技术需要被证实。“我认为这些事情的动机是好的，应当予以资助——但我并不认为我们处在突破的边缘。”

　　尽管许多技术需要攻克，包括大量的资金可能来自于私营部门，但风险投资者们似乎愿意一试。“人们开始思考，也许有其他方法可行！值得一试。”华盛顿大学的等离子体物理学家约翰·斯劳（John Slough）如是说。

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