專案繁多:對三種瘋狂的聚變能源計劃的懷疑審視

風險投資家和資助機構都希望他們的另類聚變投資能有所回報,但仍然存在許多未知數

激進的能源解決方案方面,一個極不可能實現的是將聚變和裂變相結合的核能計劃。現有的核電站都依靠裂變,即分裂諸如鈾之類的重核來發電,更不用說產生大量的有害廢物了。聚變則是將輕核結合在一起,就像在恆星和氫彈中發生的那樣,但儘管經過了幾十年的研究,實際的聚變發電尚未得到證實。最新的想法之一是混合電廠,其中聚變會觸發乏核燃料中的原子分裂,從而提高能量輸出並“燃燒掉”廢物。

然而,與最近引起關注和風險投資的其他一些投機性的聚變工作相比,這種混合方法看起來非常主流。本月,關於另類聚變研究的線上討論重新燃起,當時雄心勃勃的通用聚變公司宣佈已從包括亞馬遜創始人傑夫·貝佐斯在內的投資者那裡籌集了1950萬美元。通用聚變公司計劃的機器看起來很適合為蒸汽朋克小說做插圖。
與政府投入到諸如國家點火裝置(NIF)和ITER等專案中的數十億美元相比,2000萬美元左右的投入是相當便宜的彩票。但是真的有可能獲得回報嗎?是否有任何具體進展的報道?以下是三個專案的簡要介紹。

通用聚變公司
* 技術:磁化目標聚變。在通用聚變公司的設計中,液態金屬(鋰和鉛)在球形罐內旋轉,在其核心留下一個圓柱形空腔。在每個末端注入的氘和氚(氫的重同位素)的團塊在這個渦流空腔的中心相遇,在那裡磁場將它們捕獲幾百微秒。大約200個氣動活塞從各個方向撞擊罐體,將聲波衝擊波傳送到熔融金屬中。波匯聚在目標上,使渦流坍塌併產生聚變。重複,可能每秒一次。


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* 歷史:自20世紀70年代以來,研究人員一直在研究磁化目標聚變。早期類似於通用聚變公司的設計由於技術不足而無法在燃料分散之前均勻壓縮燃料而受阻。另一種變體,目前由洛斯阿拉莫斯國家實驗室的研究人員追求,避開了液態金屬和機械壓縮機,而是使用磁脈衝來內爆金屬圓柱體。

* 已發表的結果:《聚變能源雜誌》2008年發表的一些論文報告了通用聚變公司在開發活塞設計等離子體加速器(用於注入氘)方面的首次工作。2006年進行的一項“原理驗證”實驗用聲波衝擊波壓縮了氘氣併產生了一些中子(聚變副產物),但該工作不涉及旋轉熔融金屬、活塞或等離子體注入。

* 現狀:通用聚變公司業務發展副總裁邁克爾·德拉格表示,該公司此後證明了活塞所需的高精度伺服控制(將衝擊時間控制在8微秒以內),並且正在使用另一個全尺寸活塞來研究聲波如何在熔融鉛鋰中傳播。第一個等離子體注入器於一年前開始執行。下個月在加拿大核學會年會上的一次演講將概述這項工作和下一步驟。

能量/物質轉換公司(EMC2)
* 技術:多井等離子體約束。電磁線圈的多面體排列將其中心的電子捕獲,從而為帶正電的離子(如氘)產生勢阱。正離子加速向阱的中心移動,在那裡它們中的一些會發生劇烈碰撞併發生聚變。

* 歷史:由羅伯特·W·布薩德倡導的多井是較舊方法(慣性靜電約束)的一種變體,愛好者曾用它來構建桌面式聚變器。布薩德在20世紀80年代初成立了EMC2,以追求慣性靜電約束聚變來發電。理論家認為,這些方案將不可避免地遭受過多的粒子和能量損失(例如,請參見此處此處)。布薩德聲稱此處為pdf)在他最後的多井裝置“Wiffleball 6”報廢並且他的資金(來自美國海軍)用完之前不久,他找到了解決問題的方法。不要試圖向懷疑論者講述這樣的故事情節。布薩德於2007年去世。

* 最近的工作:在海軍恢復資助後,EMC2建造了“Wiffleball 7”來檢驗對WB-6的主張。結果尚未在內部報告之外發布,這顯然符合限制披露的資金合同規定。儘管如此,海軍還是認為有必要在2009年向EMC2授予另一份790萬美元的合同,以建造磁場強度是WB-7八倍的WB-8,以測試其效能的擴充套件程度。

* 現狀:recovery.gov上的一份簡短的季度報告表明WB-8已經建成,“按設計執行”,並且“正在產生積極的結果”,接下來還有長達一年的實驗。在沒有發表同行評審結果的情況下,只有海軍才能知道經過這麼多年,它是否物有所值。

三阿爾法能源公司
* 技術:等離子體發電。等離子體受到磁約束。透過融合硼和氫(而不是氘和氚),每次反應都會產生三個阿爾法粒子(氦核)並且不釋放中子。與通常的加熱蒸汽驅動渦輪機的方法相比,可以更直接地從這些帶電粒子中提取電能。(EMC2也對這種“無中子”路線感興趣——這將是Wiffleball 8.1。)

* 歷史:諾曼·羅斯托克和兩位同事本質上是在1997年提出了這個反應堆(也可在此處獲得)。羅斯托克是加州大學歐文分校的物理學榮譽退休教授,後來共同創立了三阿爾法能源公司。據報道,近年來,三阿爾法已從包括微軟聯合創始人保羅·艾倫在內的投資者那裡籌集了大約1億美元的資金。

* 已發表的結果:三阿爾法能源公司以隱秘模式運營而聞名,但羅斯托克和其他三阿爾法科學家仍在定期提交更新的專利申請並在會議上展示研究結果(在2010年11月舉行的等離子體物理會議上,僅受邀的演講和15篇海報展示)。去年7月,其最新裝置(“C-2”)的等離子體行為研究發表在頂尖的物理學期刊《物理評論快報》上。

可以肯定的是,這些專案都不會在短期內產生大量的聚變。通用聚變公司才剛剛起步,而三阿爾法的研究成果說明了在經過幾十年的認真工作後,仍有多少未知數。如果一個團隊最終獲得了科學大獎,那麼該專案仍然將面臨漫長而昂貴的發展道路,這條道路上充斥著潛在的、令人望而卻步的技術障礙,這些障礙與困擾NIF和ITER主流方法的障礙一樣具有挑戰性。對於投資者而言,贏得彩票只會提供一張進入真實遊戲的入場券。

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