核聚變“新貴”
鄧雪梅/編譯
通用核聚變公司的反應(yīng)堆技術(shù)是通過(guò)活塞把燃料擠壓到一個(gè)液體鉛的旋轉(zhuǎn)渦流中
● 在風(fēng)險(xiǎn)投資和諸多希望的推動(dòng)下，可替代核聚變技術(shù)研究正在升溫。然而，這些替代技術(shù)真的能夠維持其勢(shì)頭并證明其可行，抑或像之前的一些核聚變夢(mèng)想一樣夭折？
要來(lái)到世界上最神秘的核聚變研發(fā)地之一，參觀者必須在加利福尼亞爾灣東部圣塔安娜山腳下的一個(gè)辦公區(qū)域下車，這里是一處占地很大卻沒(méi)有任何標(biāo)志的美國(guó)核聚變研究基地——三阿爾法能源公司(Tri Alpha Energy)所在地。
要進(jìn)入公司總部，參觀者必須簽署保密協(xié)議后方可進(jìn)入。為了保護(hù)商業(yè)秘密，三阿爾法公司甚至沒(méi)有一個(gè)網(wǎng)站，但從其他一些過(guò)濾掉的信息片段可以表明，該公司用于核聚變實(shí)驗(yàn)的大樓正在運(yùn)營(yíng)。作為一個(gè)超常規(guī)的項(xiàng)目——不使用環(huán)形托卡馬克反應(yīng)堆（其在40年中主導(dǎo)了核聚變研究）——三阿爾法公司正在測(cè)試一個(gè)更小、更簡(jiǎn)潔、更便宜的核反應(yīng)堆。或許，這個(gè)反應(yīng)堆在不到十年的時(shí)間里可以實(shí)現(xiàn)商用聚變能源，或遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于托卡馬克反應(yīng)堆技術(shù)。
一段時(shí)間以來(lái)，隨著“國(guó)際熱核聚變反應(yīng)堆”（ITER）項(xiàng)目的延期以及成本超支，即在法國(guó)卡達(dá)拉奇建造的有望成為世界上第一個(gè)能夠從持續(xù)燃燒的等離子體燃料中產(chǎn)生能量的ITER項(xiàng)目，其成本最終將高達(dá)500億美元——大約是原先預(yù)算的十倍——并且在2027年才有望商業(yè)化運(yùn)作，落后預(yù)定計(jì)劃十一年之久。相比之下，三阿爾法公司的反應(yīng)堆技術(shù)聽(tīng)起來(lái)特別地具有吸引力。
在過(guò)去的十年時(shí)間里，包括三阿爾法團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的美國(guó)、加拿大的物理學(xué)家相繼推出了一些核聚變反應(yīng)堆的替代設(shè)計(jì)，有些設(shè)計(jì)報(bào)告了令人鼓舞的結(jié)果。其中，三阿爾法公司的設(shè)計(jì)還吸引了可觀的投資——已從微軟聯(lián)合創(chuàng)始人保羅·艾倫（Paul Allen）以及俄羅斯風(fēng)險(xiǎn)投資公司“奈米科技公司”募集了1.5億美元。
然而，伴隨著這種替代設(shè)計(jì)而來(lái)的更多的是審查。“要改變反應(yīng)堆的比例，其中有非常棘手的問(wèn)題要克服。”麻省理工學(xué)院的核物理學(xué)家杰弗里·弗里德伯格（Jeffrey Freidberg）說(shuō)。比如，三阿爾法公司必須證明它能夠?qū)崿F(xiàn)高能值燃料所需的數(shù)十億開(kāi)爾文溫度，并且有一個(gè)切實(shí)可行的將輸出能量轉(zhuǎn)化成電能的方法。“或許，類似的問(wèn)題其他替代設(shè)計(jì)有解決的辦法，”美國(guó)聚變能協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)人斯蒂芬·迪恩（Stephen Dean）說(shuō)，“但我不認(rèn)為它們很快會(huì)實(shí)際應(yīng)用。”
模仿太陽(yáng)
原則上，建造核聚變反應(yīng)堆是一個(gè)模仿太陽(yáng)的過(guò)程。其原理是：取適當(dāng)氫或其他輕元素的同位素，加熱后把電子從原子核中剝離，以形成離子化的等離子體。然后壓縮等離子體使其暫時(shí)結(jié)合在一起，使原子核熔化并把其部分質(zhì)量轉(zhuǎn)換成能量。但在實(shí)踐中，試圖模仿一顆恒星會(huì)引起可怕的工程問(wèn)題：例如，陷入磁場(chǎng)中的熱等離子體易于扭曲翻轉(zhuǎn)，就如同一條被激怒的蛇掙扎逃脫一樣。
事實(shí)上，從事核聚變研究的科學(xué)家一直青睞用托卡馬克作為遏制等離子體“猛獸”的最佳方式。二十世紀(jì)五十年代前蘇聯(lián)物理學(xué)家開(kāi)始研發(fā)并在十年后宣稱，他們的反應(yīng)堆達(dá)到了離子體密度，溫度和約束時(shí)間比以往機(jī)器要高得多，提高了托卡馬克控制高能量等離子體的方式。
一開(kāi)始，許多物理學(xué)家懷疑托卡馬克是否最終可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的輸出功率。尤其是初期階段，其環(huán)形要由多個(gè)電磁線圈纏繞以形成限制等離子體的磁場(chǎng)，而更多的線圈則貫穿環(huán)形圈以驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大的電流，其復(fù)雜度是驚人的。
其次是燃料（氫的同位素氘-氚的組合）。氘-氚作為動(dòng)力被廣泛認(rèn)為是反應(yīng)堆的明智選擇，因?yàn)樗鼈兊娜键c(diǎn)低于其他任何組合——大約為1億開(kāi)爾文——但卻釋放出更高的能量。其中80%的能量來(lái)自加速的中子反應(yīng)，這將對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)壁造成破壞，使其具有高度放射性。為此，中子能量需要用傳統(tǒng)的汽輪機(jī)加熱水溫——效率僅有30%～40%。
由于成本、復(fù)雜性加之進(jìn)展緩慢，慣性約束聚變（實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兊耐緩街唬┰欢瘸蔀樘娲锌R克磁約束的呼聲很高——它的燃料芯塊是由高功率激光束點(diǎn)燃致其產(chǎn)生內(nèi)爆——比如，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），就是科學(xué)家現(xiàn)實(shí)其對(duì)核聚變能量的承諾。
不同預(yù)案
1998年，時(shí)年72歲的加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)家諾曼·羅斯托克（Norman Rostoker）等人創(chuàng)辦了三阿爾法能源公司。他們提出用硼11和質(zhì)子組合以取代氘-氚組合——硼11是一種穩(wěn)定的同位素，而點(diǎn)燃質(zhì)子和硼11組合需要大約十億開(kāi)爾文溫度，這個(gè)溫度幾乎是太陽(yáng)中心的100倍。理論上，硼11和質(zhì)子組合在聚變事件中產(chǎn)生的能量?jī)H是氘-氚組合的一半，但反應(yīng)生成物卻不產(chǎn)生中子——恰好有3個(gè)α粒子（即氦核）。這些帶電的α粒子，通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)入到一個(gè)“逆回旋加速器”裝置，后者將其大約90%的能量轉(zhuǎn)化成電能。
在托卡馬克裝置中點(diǎn)燃十億開(kāi)爾文溫度的質(zhì)子和硼11等離子體是不成問(wèn)題的，但關(guān)鍵是控制住它的磁場(chǎng)。為此，羅斯托克團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一組線性電抗器，看似兩門彼此對(duì)壘的大炮——每個(gè)電抗器會(huì)點(diǎn)燃被稱為等離子粒團(tuán)的等離子體環(huán)，待等離子體中的離子流產(chǎn)生磁場(chǎng)后，進(jìn)而束縛住等離子體。
為了啟動(dòng)反應(yīng)堆，電抗器會(huì)把等離子粒團(tuán)射向中央控制室，在那里，兩個(gè)等離子粒團(tuán)合并后會(huì)形成一個(gè)更大且自由運(yùn)動(dòng)的等離子粒團(tuán)（后者會(huì)盡可能長(zhǎng)時(shí)間地作為附加燃料用來(lái)供給）。此時(shí)，由反應(yīng)堆產(chǎn)生的α粒子由另一個(gè)磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)電抗器被送回，并在能量轉(zhuǎn)換器中被捕獲。
1997年，當(dāng)羅斯托克團(tuán)隊(duì)公布了這個(gè)概念后，他們并沒(méi)有得到美國(guó)能源部（DOE）的資助。DOE把賭注壓在了似乎較為保險(xiǎn)的托卡馬克項(xiàng)目上，畢竟這項(xiàng)已經(jīng)進(jìn)行了幾十年的實(shí)驗(yàn)，其里程碑式的發(fā)現(xiàn)幾率似乎很大。很顯然，這也是羅斯托克團(tuán)隊(duì)決定利用風(fēng)險(xiǎn)資金成立三阿爾法公司原因。
迪恩猜想，這種公司創(chuàng)辦理念或許能解釋為什么三阿爾法公司是如此的神秘。“作為風(fēng)投公司的一部分，它可以激發(fā)人們的想象。”他說(shuō)。在過(guò)去的五年時(shí)間里，三阿爾法公司陸續(xù)公布了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括讓員工出席一些相關(guān)會(huì)議。目前的試驗(yàn)樣機(jī)是一個(gè)被稱為C-2的十米裝置，三阿爾法公司證明了相互碰撞的等離子粒團(tuán)會(huì)像預(yù)期一樣合并，只要注入燃料束，燃燒時(shí)間就能維持近4毫秒——以等離子體物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)間是相當(dāng)長(zhǎng)的。去年，三阿爾法公司的郭侯楊（音譯）在美國(guó)沃思堡市召開(kāi)的等離子體會(huì)議上宣布，燃燒時(shí)間已經(jīng)增至5毫秒。目前，該公司正在募集資金以建立一個(gè)更大的機(jī)器。
作為投資人之一的艾倫認(rèn)為，目前還不是質(zhì)子和硼11反應(yīng)，三阿爾法公司是通過(guò)氘來(lái)運(yùn)行C-2反應(yīng)，距離實(shí)現(xiàn)燃燒其最終燃料所需的極端等離子體條件還有很長(zhǎng)的路要走。事實(shí)上，三阿爾法公司正在實(shí)施的是類似第一代核反應(yīng)堆計(jì)劃，該反應(yīng)堆或?qū)⑹褂酶鼈鹘y(tǒng)的蒸汽渦輪機(jī)系統(tǒng)。
其他概念
目前，華盛頓氦核能源公司正在研發(fā)一個(gè)小到足以放在卡車上的線性對(duì)撞束反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆從四周向等離子粒團(tuán)點(diǎn)火，在磁場(chǎng)的作用下，燃料在控制室內(nèi)被“壓碎”直至核聚變開(kāi)始。在一秒鐘內(nèi)，核聚變產(chǎn)物隨著下一對(duì)等離子粒團(tuán)的擠入而流出，周而復(fù)始……“就好比是一臺(tái)柴油機(jī)，”該公司首席執(zhí)行官大衛(wèi)·柯特利（David Kirtley）說(shuō)，“在每次沖程中注入燃料，并用活塞擠壓，直到無(wú)需火花便能點(diǎn)火，而燃料的爆炸給活塞以反作用力。”
氦核能源公司正在尋求1 500萬(wàn)美元的私募融資，旨在未來(lái)五年里研發(fā)出用氘-氚燃料能達(dá)到等值的實(shí)際裝置，盡可能多的產(chǎn)生能量，最終達(dá)到氘生成氦3所需的熱條件——兩個(gè)氦3可以形成α粒子和質(zhì)子，而且過(guò)程沒(méi)有中子生成。柯特利說(shuō)，如果資金募集順利的話，“我們的計(jì)劃是在六年里讓這些試點(diǎn)工廠聯(lián)機(jī)。”
在加拿大伯納比市，通用核聚變公司設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆其約束方式不同于其他，即將氘-氚等離子粒團(tuán)射入到一個(gè)液體鉛的旋轉(zhuǎn)渦流中，然后借助一組活塞向內(nèi)擠壓。如果在幾微秒內(nèi)達(dá)到所需的壓強(qiáng)，等離子體會(huì)內(nèi)爆并產(chǎn)生核聚變的條件。該公司負(fù)責(zé)人米歇爾·拉伯格（Michel Laberge）說(shuō)，這種設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)液體鉛遇到中子時(shí)不會(huì)發(fā)生變化。
通用核聚變公司已經(jīng)通過(guò)了一個(gè)由活塞驅(qū)動(dòng)爆炸的小型設(shè)備的演示，并且從加拿大政府和風(fēng)險(xiǎn)資本公司募集到了5 000萬(wàn)美元。拉伯格說(shuō)，如果再得到2 500萬(wàn)美元的資助，他們將建造一個(gè)更強(qiáng)大的內(nèi)爆系統(tǒng)，或許在未來(lái)的兩年里，就能實(shí)現(xiàn)把等離子體壓縮到核聚變所需要的水平。
盡管這些態(tài)勢(shì)看似較為樂(lè)觀，但迪恩估計(jì)，這至少需要十年或者更長(zhǎng)的時(shí)間，其中的某項(xiàng)技術(shù)才可能真正應(yīng)用于商業(yè)。因?yàn)槠渲杏刑嗟男录夹g(shù)需要被證實(shí)。“我認(rèn)為這些事情的動(dòng)機(jī)是好的，應(yīng)當(dāng)予以資助——但我并不認(rèn)為我們處在突破的邊緣。”
盡管許多技術(shù)需要攻克，包括大量的資金可能來(lái)自于私營(yíng)部門，但風(fēng)險(xiǎn)投資者們似乎愿意一試。“人們開(kāi)始思考，也許有其他方法可行！值得一試。”華盛頓大學(xué)的等離子體物理學(xué)家約翰·斯勞（John Slough）如是說(shuō)。
[資料來(lái)源：Nature][責(zé)任編輯：則鳴]
