获富豪资金支持,核能步入新时代

2022-01-10 10:36    核聚变  核能利用

核聚变的开发者们在2021年从比尔·盖茨和杰夫·贝索斯等亿万富豪那里筹集了超过30亿美元,并且他们坚持认为,这种零碳能源可能在十年内成为现实。


核聚变的开发者们在2021年从比尔·盖茨和杰夫·贝索斯等亿万富豪那里筹集了超过30亿美元,并且他们坚持认为,这种零碳能源可能在十年内成为现实。

很明显,大规模的核聚变是可行的——只要看看天上的星星就知道了。70年来,物理学家们一直梦想着以核聚变反应堆的形式将恒星的能量装瓶,用使太阳发光的核聚变反应为电网供电,因为它不仅是零碳排放,而且还是无限量的。长期以来,人们一直宣称这种终极能源离我们只有二三十年的时间,而核聚变的粉丝们也一直拒绝放弃他们的信仰——他们的确很有理由这么做。核聚变(将氢原子碰撞成氦)理论上可以无限量地提供零碳电力,并且没有熔毁的风险,也几乎不会产生与现有依靠核裂变(将铀原子分裂成更小的元素)运行的核电站类似的放射性废料。

这个梦想激励了Mithril Capital的联合创始人Ajay Royan(另一位联合创始人是亿万富豪Peter Thiel),他在2013年首次向总部位于华盛顿州雷德蒙德市的Helion Energy公司投资了200万美元,使它可以建造一个“重复脉冲电源”的原型机。从那以后,Mithril就一直在投资Helion,包括最近一轮的5亿美元(该轮投资对该公司的估值是30亿美元)——如果该公司的第七款原型能够如预期般工作,Mithril承诺再投资17亿美元。Helion的这轮融资由Y Combinator的Sam Altman牵头。

对于核聚变的融资和预测来说,2021年都是一个重要的年份,因为开发人员在这一年里筹集了超过30亿美元来资助他们研发下一轮原型机——其中一些有望在五年内实现可行的商业化。Royan很高兴看到核聚变得到更多的关注;“根据谷歌的分析,2021年可能是核聚变的转折点,但真正的转折点发生在10年前,当时的电力电子学迈过了一个门槛。”

Helion首席执行官David Kirtley解释说,Helion最初的研发工作是在美联邦实验室完成的,2013年,Helion就是在联邦实验室中成立的。从联邦研发部门的束缚中解放出来后,Helion一直在制造一个又一个新的原型机。“初创企业的心态并不轻松,这是一种要求,也是我们从一开始就关注的,”Kirtley说。

2020年,Helion完成了其第六个原型反应堆的建设,名为Trenta。它现在正在建造第七座反应堆“北极星”(Polaris),以及同时在设计第八座反应堆“心宿二”(Antares)。Helion打算让“北极星”成为第一个产生净电能的聚变机器——即让它产生比它吸收的更多的能量。除了快速迭代,Helion的进展还受益于当地的专业人才储备。它正在华盛顿州的埃弗雷特(Everett)建造“北极星”,那里有一个由签约工程师和精密制造商组成的友好生态系统供他们使用。Kirtley说,他们早上都在修修补补,更新系统,给电容器充电。“每天下午3点,我们就开始做核聚变反应。”

Helion联合创始人Chris Pihl(左)和David Kirtley在实验室里。图片来源:HELION/CORY PARRIS

要理解Helion的运作方法,首先要想一想当你试图强迫两个棒磁铁的正极靠在一起时发生的磁斥力。正是这一原理使得“磁悬浮”技术得以实现,比如日本著名的子弹头列车,它就是利用磁性斥力让车身悬浮在一层空气垫上。

几十年来,核聚变研究人员一直在寻求设计世界上最强的电磁铁,并利用这种电磁铁设计出具有强大磁场的反应室,可以容纳并压缩注入的带正电的质子流到一个等离子体球中,这个等离子体球的温度非常高,以至于它可以让质子聚变成氦。

在Helion的新系统中,核聚变反应中释放的能量不断向外推,以对抗它的磁场,而磁场又会向后推——导致振荡(“就像活塞一样”,Kirtley说),从而产生电流,而Helion就会直接从反应堆中捕捉到这些电流。(欲知详情,请阅读法拉第感应定律)。

Helion的核聚变“引擎”的效果图。图片来源:HELION

Mithril的Royan说,Helion的发电方法的最大吸引力在于它的简单性。其他核聚变方法的目的是产生热量,使水沸腾并驱动汽轮机发电——就像传统的核电站一样。“但我们可以在没有蒸汽涡轮机或冷却塔的情况下做到这一点。我们不需要再建造一座发电厂。”

与此同时,Kirtley也理解一些人对核聚变发电所持的怀疑态度,特别是围绕他激进的时间表。20世纪60年代,一些美国国家实验室的科学家甚至在晶体管发明之前就在磁阻方面取得了重大进展(他们在与俄罗斯科学家竞争的过程中设计出了名为托卡马克(tokamak)的甜甜圈形状的反应堆),这启发了他在聚变领域开始了自己的职业生涯。但是,在确定早期的方法无法快速发展到产生一个商业化的解决方案之后,Kirtley失去了信心,于是他转而开始研究利用电磁体控制的等离子喷射器推进先进的飞船。2008年,他回到了这个领域,帮助Helion公司的技术实现商业化。

随着时间的推移,他设想在一家工厂里制造核聚变发电机。一个50兆瓦规模的系统,包装成三个集装箱大小的单元,可以为4万个家庭供电。“10年后,我们肯定会有商业电力可以出售。”

这使得Helion与总部位于波士顿的Commonwealth Fusion Systems公司展开了竞争,后者是麻省理工学院(MIT)的衍生公司,它从比尔•盖茨(Bill Gates)和乔治•索罗斯(George Soros)等投资者那里筹集了18亿美元。该公司的首席执行官Bob Mumgaard表示,他们将在6年内建成一个可用的反应堆。Commonwealth在夏季成功测试了用稀土钡铜氧化物制成的超导体设计的新型电磁铁,这进一步支持了他的乐观预期。

Mumgaard说,这些超级磁铁将使Commonwealth能够完善他们的传统聚变方法,即建造一个面包圈形状的“托卡马克”反应堆,Mumgaard称之为“大磁瓶”,其中强大的磁场控制着1亿度的等离子球体——“组成恒星的物质”。

全世界大约有150个“托卡马克”反应堆,其中最大的一个正由一个名为ITER的国际财团花费300亿美元在法国建造。这台反应堆重达2万吨,有一个篮球场大小,预计将在2035年完工。

但是Mumgaard打算让Commonwealth Fusion在ITER完成建造之前就淘汰掉它。他们的优势在于用稀土钡铜氧化物(又名ReBCO)制成的“高温”超导体的应用。

超导体可以几乎零损耗地传输电流(它比铜的传输效率高得多)。它们是制造强大电磁铁的关键。Commonwealth公司发现,通过使用一种特殊的钡氧化铜磁带(就像VHS录像带中的磁带)来制造磁铁,就可以实现比ITER预期的更强大的磁场,但体量只有后者的1/20。

ITER的主磁铁(称为螺线管)将重约400吨,实现的磁场强度将超过12特斯拉,而Commonwealth的目标是使用15吨的磁铁,每个磁铁使用300公里的ReBCO薄膜胶带,使之产生20特斯拉的磁场(作为比较,磁共振成像机产生的磁场强度是1.5特斯拉)。

“这解开了核聚变机器的密码锁,”Mumgaard说。Commonwealth在去年夏天测试了这些磁铁,并宣称它“证明”了核聚变科学现在几乎已经完成,剩下的就是建造反应堆了。“我们很了解这种材料,并认为我们可以在三年内做到这一点,”Mumgaard说。“到2030年,我们将在电网中看到核聚变产生的电能。”

Commonwealth计划在马萨诸塞州的一个47英亩的场地上建造其核聚变样机,并已经在努力采购数千公里长的ReBCO胶带。稀土的供应是否会成为核聚变推广的一个限制因素?Mumgaard说,不会。“一家核聚变工厂需要的稀土将比风力涡轮机更少。核聚变的重点并不在于你需要挖掘或抽取的资源,而是在于你采取的技术。”

核聚变领域的赢家应该不止一个。其他该领域的领军企业包括总部位于加拿大、得到杰夫·贝索斯支持的General Fusion,该公司今年筹集了1.3亿美元。在该领域,其他引人注意的亿万富豪还有Neal和Linden Blue,他们拥有总部位于圣地亚哥的General Atomics公司,该公司几十年来一直代表美国能源部在运营一个研究用途的托卡马克反应堆,并且该公司今年向ITER交付了托卡马克电磁铁的核心组件——一个重达1,000吨的中央电磁铁。还有加利福尼亚的TAE能源公司,在过去的十年里,他们一直用10亿美元的资金在进行核聚变实验,并在疫情期间筹集了1.3亿美元。

核聚变技术可能是起步于政府资助的实验室,但它的成果将不得不依赖私人资金。Amy Roma是华盛顿特区Hogan Lovells公司的合伙人,她说,最近通过的联邦基础设施法案确实包括资助一个先进的核反应堆示范项目,但是这个项目只帮助核裂变项目,而不是核聚变项目。Roma建议,如果联邦政府确实想要支持核聚变的发展,一个很好的途径是通过该法案在能源部内新设立的“清洁能源示范办公室”。核聚变产生的零碳能源也将受益于拜登总统最近的行政命令,该命令要求联邦政府的能源采购到2030年达到“净零碳排放”。

传奇科技投资者Steve Jurvetson是联邦核聚变项目的支持者,他早在25年前就第一次为核聚变研究开出了支票,而现在这个长期被推迟的梦想可能很快就会成为现实令他感到兴奋不已。“它在实现之前会有很多反对者,在它实现以后,他们又会说它的成功是显而易见的。”

Mithril的Royan说,他已经在努力调整他的框架,以考虑当核聚变成为现实时,世界将会是怎样的不同——“想想它给水的脱盐和化肥生产带来的机会吧。这将在一夜之间从根本上改变水经济,进而改变农业经济,”他说。“人类发展道路的一部分就是不断证明马尔萨斯是个白痴。”(马尔萨斯是18世纪的英国经济学家,曾经提出了著名的“马尔萨斯人口论”。)

译 Vivian 校 李永强

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