Fueled By Billionaire Dollars, Nuclear Fusion Enters A New Age
2021 年 9 月，法國 ITER 聚變項目正在建設中的“託卡馬克”聚變反應堆內部。美聯社
在 2021 年從比爾·蓋茨和傑夫·貝佐斯等人那裡籌集了超過 30 億美元的資金後，聚變開發商堅持認為，這種零碳能源可能在十年內成為現實。
很明顯，核融合（核聚變）可以大規模進行——看看星星就知道了。 70 年來，物理學家一直夢想著以聚變反應堆的形式將這種恆星能量裝瓶，這些反應堆將以同樣無限的零碳反應為電網供電，使陽光普照。這個聖杯早就被宣傳為只有 20 或 30 年的時間，但融合粉絲拒絕放棄信仰。並且有充分的理由。聚變（將氫原子粉碎成氦）承諾無限的零碳電力，零熔化風險，並且幾乎沒有與現有核電站裂變（鈾原子分裂成更小的元素）相關的放射性廢物。
這個夢想啟發了 Mithril Capital（與億萬富翁彼得泰爾）的聯合創始人 Ajay Royan，他在 2013 年首次向總部位於華盛頓州雷德蒙德的 Helion Energy 投資了 200 萬美元，以便它可以建造一個原型“重複脈衝電源”機器。從那以後，Mithril 一直投資於 Helion，包括最近的 5 億美元融資（對公司的估值為 30 億美元）——如果該公司的第七個原型按預期工作，則承諾再投資 17 億美元。 Helion 的回合由 Y Combinator 的 Sam Altman 領導。
2021 年對於聚變融資和預測來說都是重要的一年，因為開發商籌集了超過 30 億美元來為其下一輪機器提供資金——其中一些現在承諾在短短五年內實現商業上可行的聚變。 Royan 很高興看到 fusion 得到更多關注。 “根據谷歌分析，當然 2021 年可能是核聚變的轉折點，但真正的轉折點發生在十年前，當時電力電子產品超過了一個門檻。”
首席執行官 David Kirtley 解釋說，Helion 背後的最初研發工作是在聯邦實驗室中完成的，Helion 於 2013 年從聯邦實驗室中分離出來。從聯邦研發官僚機構中解放出來，Helion 從那時起一直在構建新的原型。 “擁有創業心態並不好，這是一種要求。以及我們從一開始就關注的內容，”Kirtley 說。
2020 年，Helion 完成了其第六個原型反應堆，稱為 Trenta。 它現在正在建造第七座 Polaris，同時已經在設計第八座 Antares。 Helion 打算讓 Polaris 成為第一台產生淨電力的聚變機器——產生更多的能量。除了快速迭代，Helion 還受益於當地的專業知識。 它正在華盛頓州埃弗雷特建造 Polaris，靠近波音最大的工廠，在那裡他們可以利用由合同工程師和精密製造商組成的受歡迎的生態系統。 Kirtley 說他們早上都在修補、更新系統和給電容器供電。 “每天下午 3 點，我們開始進行融合。”
要了解 Helion 的方法，首先要考慮當您嘗試將兩個條形磁鐵的正極強制在一起時發生的磁排斥。 正是這一原理使“磁懸浮”技術得以實現，例如日本著名的子彈頭列車，它利用磁斥力漂浮在氣墊上。
幾十年來，聚變研究人員一直在尋求設計世界上最強大的電磁體，他們用這些電磁體設計了具有如此強磁場的反應室，以至於它們可以將注入的帶正電質子流容納並壓縮成一個等離子體球，溫度如此之高，以至於它們融合成 氦。
在 Helion 的新系統中，聚變反應中釋放的能量不斷向外推出，對抗它的磁場，而磁場又被推回——引起振盪（“像活塞一樣，”Kirtley 說），產生電流，Helion 直接從反應堆中捕獲電流 . （更多信息，請閱讀法拉第感應定律。
Mithril 的 Royan 說，Helion 直接發電方法的最大吸引力可能在於其簡單性。其他聚變方法旨在產生熱量，以煮沸水和驅動蒸汽輪機，從而發電——就像在傳統的核電站中一樣。 “我們可以在沒有蒸汽輪機或冷卻塔的情況下做到這一點。我們擺脫了發電廠。”
可以肯定的是，Kirtley 理解對聚變的懷疑，尤其是圍繞著他激進的時間表。他的職業生涯始於聚變領域，其靈感來自 1960 年代國家實驗室的科學家，他們甚至在晶體管發明之前就在磁容器方面取得了重大進展（與俄羅斯科學家競爭設計稱為託卡馬克的環形反應堆）。但在確定早期方法無法以足夠快的速度發展以產生商業解決方案後，Kirtley 失去了信心——因此他開始使用由電磁體控制的等離子射流來研究先進的宇宙飛船推進。他於 2008 年回到該領域，幫助將 Helion 的技術商業化。
隨著時間的推移，他設想在一家工廠製造聚變發電機。一個 50 兆瓦規模的系統，包裝成三個集裝箱大小的單元，可為 40,000 個家庭供電。 “10 年後，我們肯定會出售商業電力。”
這使得 Helion 與總部位於波士頓的 Commonwealth Fusion Systems 展開了競爭，後者是麻省理工學院的附屬公司，該公司從比爾·蓋茨和喬治·索羅斯等投資者那裡籌集了 18 億美元。首席執行官 Bob Mumgaard 表示，他們將在 6 年內擁有一個工作反應堆。英聯邦在夏季成功測試了由稀土鋇銅氧化物製成的超導體設計的新型電磁體，這鼓舞了他的樂觀情緒。
Mumgaard 說，這些超強磁體將使英聯邦能夠完善他們建造甜甜圈形“託卡馬克”反應堆的更傳統的聚變方法，Mumgaard 將其稱為“大磁瓶”，其中強大的磁場控制著 1 億度等離子球——“明星的東西。”
全世界大約有 150 個託卡馬克； 最大的一個正在法國由一個名為 ITER 的國際財團斥資 300 億美元建造。 這台重達 20,000 噸的機器，有籃球場那麼大，計劃於 2035 年完工。
但是 Mumgaard 打算讓 Commonwealth Fusion 在 ITER 完成之前就讓它過時。 它的優勢在於應用由稀土鋇銅氧化物（又名 ReBCO）製成的“高溫”超導體。
超導體以幾乎零損耗的方式移動電流（例如，比銅更有效）。它們是製造強大電磁體的關鍵。 Commonwealth 發現，通過使用特殊的鋇銅氧化物磁帶（就像 VHS 磁帶中的磁帶）製造磁鐵，它可以實現比 ITER 預期的更強大的磁場，但只有 1/20 的規模。
ITER 的初級磁鐵（稱為螺線管）重約 400 噸，產生的磁場強度超過 12 特斯拉，而 Commonwealth 則著眼於 15 噸的磁鐵，每個磁鐵使用 300 公里的 ReBCO 薄膜帶，這將產生 20 特斯拉（作為比較，磁共振成像機做1.5特斯拉）。
“這解鎖了融合機器，”Mumgaard 說。 CES 去年夏天對磁鐵進行了測試，並宣布它“證明”聚變科學現在幾乎完成了，剩下的就是建造反應堆。 “我們非常了解材料，並認為我們可以在三年內做到這一點，”Mumgaard 說。 “到 2030 年，我們將在電網上看到融合。”
CES 將在馬薩諸塞州 47 英畝的場地上建造其融合機器，並且已經在努力採購數千公里的 ReBCO 磁帶。 稀土的供應是否會成為核聚變推出的限制因素？ 不，穆加德說。 “與風力渦輪機相比，聚變工廠的稀土含量將更少。 Fusion 與您需要開採或抽取的資源無關。 這是關於技術的。”
應該有不止一個融合贏家的空間。其他領導者包括總部位於加拿大並得到 Jeff Bezos 支持的 General Fusion，該公司今年籌集了 1.3 億美元。核聚變遊戲中其他著名的億萬富翁是尼爾和林登·布魯，他們擁有總部位於聖地亞哥的通用原子公司，幾十年來一直代表美國能源部運營研究託卡馬克，今年向 ITER 交付了託卡馬克電磁鐵的內臟——一個 1,000 噸的中央螺線管。還有加利福尼亞的 TAE 能源公司，它在過去十年中一直在試驗 10 億美元，並在大流行期間籌集了 1.3 億美元。
融合技術可能已經在政府資助的實驗室中起步，但它的成果將不得不依賴私人資金。華盛頓特區 Hogan Lovells 的合夥人 Amy Roma 表示，最近通過的聯邦基礎設施法案確實包括為先進反應堆示範計劃提供資金——該計劃只幫助裂變項目，而不是聚變。 Roma 建議，如果聯邦政府確實想要支持核聚變的進展，那麼可以通過該法案在能源部內新成立的“清潔能源示範辦公室”來支持。來自聚變的零碳能源也將受益於拜登總統最近的行政命令，該命令要求聯邦政府的能源採購到 2030 年實現“淨零”。
傳奇的科技投資人史蒂夫·尤爾維森 (Steve Jurvetson) 是英聯邦核聚變的支持者，他在 25 年前為核聚變研究寫下了他的第一張支票，他幾乎對這個長期推遲的夢想很快就會成為現實感到頭暈目眩。 “在它完成之前，有很多反對者。然後他們說這很明顯。”