英國(guó)衛(wèi)報(bào)發(fā)表署名Stuart Clark的文章，題目是：Fusion power might be 30 years away but we will reap its benefits well before(聚變發(fā)電可能還需要30年的時(shí)間，但我們很早就會(huì)從中獲益)。
核聚變研究在從治療癌癥到電動(dòng)汽車的優(yōu)質(zhì)電池等各個(gè)領(lǐng)域都有潛在的巨大實(shí)際應(yīng)用。
1776年3月，詹姆斯·瓦特的第一臺(tái)商用蒸汽機(jī)在英國(guó)西米德蘭茲郡蒂普頓的布盧姆菲爾德煤礦安裝時(shí)，被譽(yù)為機(jī)械奇跡。然而，當(dāng)時(shí)很少有人能預(yù)料到蒸汽機(jī)會(huì)改變世界。該技術(shù)最初是為了從礦山抽水而開(kāi)發(fā)的，后來(lái)在許多行業(yè)和應(yīng)用中得到了應(yīng)用，引發(fā)了工業(yè)革命?，F(xiàn)在，根據(jù)那些致力于聚變能源發(fā)電廠開(kāi)發(fā)的人的說(shuō)法，我們正處于類似轉(zhuǎn)型的風(fēng)口浪尖。伯明翰TAE電力解決方案公司首席戰(zhàn)略官Lu Fong Chua表示：“我認(rèn)為這項(xiàng)工作具有與當(dāng)年瓦特相同的通用技術(shù)特征。”
聚變是使恒星發(fā)光的能量產(chǎn)生機(jī)制。有一種說(shuō)法是，地球上的人類工程聚變發(fā)電目標(biāo)總是“30年后”。但如果我們能讓聚變最終發(fā)揮作用，有望提供如此大量的清潔能源，我們最終將能夠擺脫化石燃料。由國(guó)家資助的大型項(xiàng)目，以及越來(lái)越多的私營(yíng)初創(chuàng)公司，都報(bào)告了許多業(yè)內(nèi)人士現(xiàn)在認(rèn)為將導(dǎo)致可行的聚變能源的突破。
2022年，英國(guó)政府宣布了位于諾丁漢郡西伯頓的球形托卡馬克能源生產(chǎn)(STEP)項(xiàng)目的選址，這突顯了他們的樂(lè)觀態(tài)度。該示范工廠旨在到2040年代向國(guó)家電網(wǎng)供電。在開(kāi)發(fā)這種聚變發(fā)電廠的過(guò)程中，我們正在創(chuàng)造新的技術(shù)和解決方案，其范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了能源生產(chǎn)的任務(wù)。
在英國(guó)，原子能管理局(UKAEA)在牛津郡的Culham建立了聚變集群，以推動(dòng)聚變產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。自2021年成立以來(lái)，該集群已從少數(shù)幾家公司發(fā)展到200多家。雖然關(guān)鍵目標(biāo)仍然是開(kāi)發(fā)到2040年代建造英國(guó)商業(yè)聚變發(fā)電廠所需的技能和技術(shù)，但將分拆商業(yè)化也是當(dāng)務(wù)之急。該中心的開(kāi)發(fā)經(jīng)理Valerie Jamieson說(shuō)：“聚變集群的作用之一是告訴人們，不僅聚變時(shí)代即將到來(lái)，而且在我們擁有第一座聚變發(fā)電廠之前的幾年，它就有價(jià)值，因?yàn)槲覀円呀?jīng)出現(xiàn)了這些早期應(yīng)用技術(shù)。”
正如Shine Technologies的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Greg Piefer在21世紀(jì)初意識(shí)到的那樣，這是一個(gè)刺激投資的領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)他看到開(kāi)發(fā)商業(yè)聚變能源將是一條漫長(zhǎng)而昂貴的道路。這促使他思考如何在開(kāi)發(fā)過(guò)程中就獲得利潤(rùn)，這樣投資者就可以看到更直接的回報(bào)。他說(shuō)：“這對(duì)核聚變商業(yè)化的使命至關(guān)重要。”
目前，聚變衍生技術(shù)在四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
——推進(jìn)系統(tǒng)
聚變反應(yīng)堆必須做的一件看似不可能的事情是將氣體限制在1億攝氏度左右，這個(gè)溫度足以熔化任何材料。幸運(yùn)的是，在這個(gè)溫度下，氣體會(huì)帶電，因此可以通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)控制。磁場(chǎng)的強(qiáng)度決定了反應(yīng)堆的大小，從而決定了建造它的成本效益。因此，制造高效磁鐵一直是Tokamak能源公司的核心目標(biāo)，該公司是聚變星團(tuán)的一部分，總部位于牛津郡米爾頓公園。2023年，他們宣布創(chuàng)建新一代高溫超導(dǎo)磁體，其提供的穩(wěn)定磁場(chǎng)比現(xiàn)有技術(shù)強(qiáng)10倍甚至20倍。Tokamak首席執(zhí)行官Warrick Matthews表示，這種磁鐵不僅為可行的聚變技術(shù)應(yīng)用開(kāi)辟了道路，而且“可以改變現(xiàn)有市場(chǎng)并創(chuàng)造新市場(chǎng)”，其中一個(gè)領(lǐng)域是磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)驅(qū)動(dòng)器的創(chuàng)建。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，理論家們就知道MHD驅(qū)動(dòng)器利用磁場(chǎng)產(chǎn)生帶電流體射流來(lái)推動(dòng)車輛。由于沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，所以不會(huì)磨損。
——醫(yī)療應(yīng)用
聚變過(guò)程可以使用幾種可能的反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生能量。1998年，TAE選擇了硼原子與質(zhì)子的聚變，這讓他們對(duì)治療癌癥的古老研究計(jì)劃大開(kāi)眼界。20世紀(jì)30年代的原子先驅(qū)們表明，硼與中子粒子反應(yīng)分裂成鋰和氦具有很強(qiáng)的親和力。1936年，賓夕法尼亞州富蘭克林研究所的Gordon Locher指出了這種反應(yīng)破壞癌細(xì)胞的潛力。隨著鋰和氦的反沖，它們將能量沉積在大約5-9微米的范圍內(nèi)，這相當(dāng)于典型的癌癥細(xì)胞的大小。這種突然釋放的能量會(huì)破壞細(xì)胞。
雖然硼可以通過(guò)藥物引入患者體內(nèi)，但在20世紀(jì)中葉找到合適的中子源是一個(gè)大問(wèn)題。從歷史上看，患者必須被帶到核反應(yīng)堆，并暴露在其核心的中子中。不太理想?，F(xiàn)在，問(wèn)題幾乎解決了。TAE聚變計(jì)劃的一項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新是創(chuàng)建了緊湊型粒子加速器，可用于產(chǎn)生緊密聚焦的中子束。在聚變中，它們被用來(lái)為反應(yīng)堆提供燃料。TAE生命科學(xué)公司首席執(zhí)行官Rob Hill表示：“我們能夠?qū)⑦@些光束重新配置用于醫(yī)療目的。”該公司目前正在與伯明翰大學(xué)醫(yī)院和倫敦大學(xué)學(xué)院醫(yī)院討論安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備。與此同時(shí)，Shine Technologies正在其位于威斯康星州Janesville和荷蘭Veendam的工廠生產(chǎn)镥-177，這是一種醫(yī)學(xué)上有用的同位素。
镥也用于靶向癌癥，類似地通過(guò)與癌癥細(xì)胞結(jié)合的藥物遞送。與硼不同，它不需要中子來(lái)激活它。相反，它具有放射性，半衰期約為六天半，發(fā)出高能電子，將癌癥細(xì)胞撕裂。它還發(fā)射伽馬射線，開(kāi)啟了醫(yī)療成像設(shè)備的可能性，可以跟蹤癌癥的進(jìn)展和治療的有效性。然而，半衰期如此之短意味著這種同位素在自然界中并不存在，因此必須使用聚變技術(shù)來(lái)制造。
——工業(yè)影像
點(diǎn)燃聚變的一種方法是使用激光壓縮和加熱氫燃料顆粒。21世紀(jì)初，在加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的激光時(shí)，物理學(xué)家Markus Roth及其同事發(fā)現(xiàn)，如果他們將目標(biāo)改為薄箔材料，他們可以將箔中的粒子加速到巨大的速度。
2021年，Roth在德國(guó)達(dá)姆施塔特建立了“聚焦能源”公司，開(kāi)發(fā)了一種能夠以現(xiàn)有技術(shù)100倍強(qiáng)度加速中子束的激光系統(tǒng)。中子可以像X射線一樣用于成像，但更具穿透性，這意味著它們可以看到更致密的材料內(nèi)部，Roth目前正在與土木工程公司討論部署該系統(tǒng)，以檢查混凝土建筑和橋梁內(nèi)的鋼材是否有腐蝕跡象。同樣的技術(shù)也可以產(chǎn)生稱為μ子的粒子，從而開(kāi)辟更大的成像項(xiàng)目。當(dāng)太陽(yáng)粒子撞擊地球高層大氣中的原子時(shí)，會(huì)自然產(chǎn)生μ子。它們具有巨大的穿透力，在2011年福島核事故后被用來(lái)定位熔融的反應(yīng)堆堆芯。
2017年，一組類似的探測(cè)器在埃及吉薩大金字塔中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)以前隱藏的房間。地質(zhì)學(xué)家利用μ介子來(lái)研究火山爆發(fā)前巖漿的運(yùn)動(dòng)，缺點(diǎn)是自然產(chǎn)生的μ介子數(shù)量相對(duì)較低。把手舉到太陽(yáng)前，每秒只有一個(gè)μ介子穿過(guò)你的手掌。因此，對(duì)福島核電站的核心進(jìn)行成像花了五個(gè)月的時(shí)間。Roth的激光方法可以將μ介子的數(shù)量提高10000倍，大大加快成像過(guò)程，盡管目前研究火山的足夠大的系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)仍在未來(lái)的某個(gè)地方。
——核廢料處理
目前，聚光能源公司最大的衍生項(xiàng)目是與德國(guó)政府簽訂的一項(xiàng)合同，該合同將建造第一個(gè)用于檢查核廢料容器的激光驅(qū)動(dòng)中子源。德國(guó)在2023年關(guān)閉了最后一座核電站，現(xiàn)在必須處理幾十年來(lái)堆積的核廢物。聚焦能源的成像系統(tǒng)將確定桶內(nèi)物質(zhì)，以及廢物的狀況，以便它們能夠安全地最終儲(chǔ)存。
在大西洋彼岸，Shine計(jì)劃更進(jìn)一步。如果中子束可以變得更強(qiáng)烈，它可以將廢物轉(zhuǎn)化為危害較小的物質(zhì)，而不是使用中子對(duì)廢物進(jìn)行成像。例如，傳統(tǒng)的核反應(yīng)堆將鈾-235或钚-239分解以產(chǎn)生能量。廢料是碘-129，半衰期超過(guò)1500萬(wàn)年。然而，如果它可以被高強(qiáng)度中子束轟擊，它將轉(zhuǎn)化為碘-128，其半衰期僅為25分鐘。事實(shí)證明，許多聚變發(fā)電廠將大量制造出實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的中子。因此，未來(lái)的反應(yīng)堆不僅將解決世界能源問(wèn)題，而且可以用來(lái)幫助清理第一批核反應(yīng)堆留下的骯臟遺產(chǎn)。
