核能的未來:百花齊放

1956年夏天,少數幾個人聚集在聖地亞哥一所廢棄的紅色小學校舍裡。這些人是他們那一代最富有想象力的科學家和工程師。

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1956年夏天,少數幾個人聚集在聖地亞哥一所廢棄的紅色小學校舍裡。這些人是他們那一代最富有想象力的科學家和工程師。他們中有領導者弗雷德里克·德·霍夫曼,他曾參與曼哈頓計劃,現在是通用原子公司的總裁。霍夫曼不僅是一位富有創造力的物理學家,還是一位異常精明能幹的管理者和企業家;在他晚年,他將著名的索爾克研究所帶到了新的高度。還有弗里曼·戴森,一位來自普林斯頓高等研究院、才華橫溢的數學物理學家,他曾調和了量子電動力學的不同理論——關於光和物質的奇怪理論。還有愛德華·泰勒,另一位曼哈頓計劃的退伍軍人;一位黑暗、易怒而又才華橫溢的物理學家,他深信核武器的力量可以拯救世界,以至於他激發了斯坦利·庫布里克經典電影《奇愛博士》中瘋狂科學家的漫畫形象。

這些人及其同事共同致力於一個目標:創造一種本質安全的核反應堆,即使面對人為的愚蠢和愚昧,它也會停止其核轉換。該反應堆的名字相當平淡,叫做 TRIGA(訓練、研究、同位素、通用原子),但它的遺產絕非平淡無奇。反應堆成功的核心不是技術創新,而是開放的辯論和討論氛圍。每天,都會有人——主要是泰勒——提出十個想法,其中大多數聽起來很瘋狂。其他人——主要是戴森——會耐心地研究這些想法,拋棄其中的幾個,從糟粕中提取精華,並賦予它們嚴謹的形式。

TRIGA 受益於最大限度的自由探索和個人創造力,以及最大限度的官僚干預。沒有凌駕一切的管理機構來支配設計者的思想。每個人都可以自由地提出他們想到的任何想法,而小組其他成員的工作是完善這個想法,使其更嚴謹和實用,或者拋棄它,然後轉向下一個想法。TRIGA 的製造者們與幾十年後的矽谷計算機企業家們會很合得來。


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TRIGA 執行的核心是一個叫做熱中子原理的原理。在傳統的反應堆中,燃料中的中子由周圍較冷的水中的氫來減速。如果有人拔出控制棒,則有很大的熔燬的可能性,因為保持冷卻一段時間的水會繼續減緩中子,並保持其引起裂變的能力。戴森和泰勒的想法是將一半的氫放在水中,另一半以鈾和鋯氫化物合金的形式放在燃料中。這將導致只有一半的氫保持足夠的冷卻以減緩中子,而氫化物中的另一半保持溫暖,並降低中子裂變鈾的能力。這導致燃料具有所謂的負溫度係數。燃料棒由伊朗冶金學家馬蘇德·西姆納德精心而精確地製作,他當時正在這個專案工作。

熱中子原理是使 TRIGA 本質安全的原因,它不太可能發生熔燬或災難性故障。工程師和技術人員用了不到三年的時間就將反應堆從設計階段投入生產。第一座 TRIGA 由尼爾斯·玻爾在聖地亞哥落成。共建造了七十座這種安全的反應堆。它們足夠安全和便宜,可以由醫院和大學的學生操作,它們的主要功能是為科學和工程實驗生產同位素。它們也足夠堅固和安全,可以防止擴散。正如戴森在他的優雅回憶錄《擾亂宇宙》中回憶的那樣,TRIGA 也許是唯一為其創造者賺取利潤的核反應堆。

TRIGA 使核電的開發看起來相對容易、便宜和快速。為什麼其他反應堆沒有取得同樣的成功?為什麼在五十年後,核電仍然在經濟、政治和社會強烈反對面前掙扎?有很多原因,但主要原因很簡單:TRIGA 的設計者被鼓勵玩得開心,他們擁有創業公司中常見的自由探索。問題是,在 70 年代,核工業失去了樂趣,隨之失去樂趣的還有創造力和成本考慮。戴森在他的書中迅速切入核心問題

“核工業的根本問題不是反應堆安全,不是廢物處理,也不是核擴散的危險,儘管所有這些問題都是真實存在的。該行業的基本問題是,現在沒有人再樂於建造反應堆了……在 1960 年到 1970 年之間的某個時候,這個行業的樂趣消失了。冒險家、實驗者、發明家被趕走,會計師和管理者接管了控制權。會計師和管理者認為,讓聰明人玩弄奇怪的反應堆並不划算。因此,奇怪的反應堆消失了,隨之消失的還有對現有系統進行任何根本改進的機會。我們只剩下數量非常少的反應堆型別,每種型別都凍結在龐大的官僚機構中,每種型別在各種方面都技術上不令人滿意,每種型別都比許多可能的替代設計不安全,這些替代設計已被拋棄。沒有人再為了樂趣而建造反應堆了。紅色小學校舍的精神已經死了。在我看來,這就是核電的癥結所在。”

沒有人再為了樂趣而建造反應堆了。戴森想要表達的非常簡單。任何技術發展都有可能,該技術需要以達爾文式創新的燃料來驅動自身。它需要產生所有可能的想法——包括奇怪的想法——然後找出最好的,同時無情地淘汰最差的。這不僅提高了質量,還降低了成本,因為沒有企業家會冒險將一種內在昂貴的技術引入市場。但是,除非你允許人們根據自己的意願玩弄自己的想法,並樂在其中,否則所有這些都是不可能的。人們不會無私地透過法令來產生想法,只有當他們得到資金和基礎設施的支援,但在其他方面可以自由發揮時,他們才會這樣做。會計師和管理者需要啟動這個過程,然後需要讓開。

幾乎每項成功的技術都經歷了達爾文式的這個階段。戴森舉了他父親那一代摩托車手的例子,他們精心而愛護地設計和維修摩托車。在我們這一代,最響亮的例子是計算機技術。我們已經記不清有多少版本的軟體和硬體,年輕的計算機愛好者在加利福尼亞的車庫裡進行了實驗,然後他們的技術和藝術敏感性以及市場的意願挑選出了最好的版本。比爾·蓋茨和史蒂夫·喬布斯都在一群年輕的新貴中發家致富,他們嘗試最新的電子產品和程式碼,並與遍佈全國的其他新貴競爭。就像紅色小學校舍的核設計師一樣,矽谷車庫的計算機設計師也不受中央機構的要求的約束。創立 Genentech 和 Amgen 等公司的基因工程師也是如此。他們可以讓自己的想象力自由馳騁,互相交流想法,並無情地駁倒笨拙、昂貴或炫耀的設計。正是年輕聰慧的人們盡情集思廣益的能力,以及快速探索各種廉價技術解決方案的靈活初創公司的能力,才使得計算機技術成為當今無處不在的生命力。生物技術現在也準備這樣做。類似的優勝劣汰的達爾文式過程滲透到其他成功的技術中,從飛行到汽車工程再到房屋建造。最重要的是,所有這些技術的創造者在創造它們時都樂在其中。

核電領域沒有發生過這樣的事情。這是一項技術的發展,它是由少數傑出的政府和軍事官員以及大型組織主導的,並被限制在狹窄的範圍內。大多數核技術開發人員都是穩重的、上了年紀的官僚,而不是像弗雷德里克·德·霍夫曼那樣的年輕的偶像破壞者。海曼·里科弗海軍上將發明的一種早期設計——適用於潛艇,但不太適合高效的陸基發電站——被凍結並應用於全國數百個反應堆。從那時起,只有大約一百個反應堆設計,只有大約六個突出的設計。由於包括公眾偏執、缺乏規模經濟、政治正確性和對輻射的誤解等複雜因素,核技術從未有機會被玩弄,被委託給嘗試想法的年輕企業家,透過達爾文進化的創造性和破壞性過程找到自己的道路,達到技術和經濟效率的平臺。結果是,該領域在科學上仍然狹隘且成本高昂。即使在今天,也只有少數幾家公司在建造和運營世界上大多數反應堆。

為了重振核電為世界提供廉價能源和應對氣候變化的希望,該領域需要注入與 TRIGA 設計團隊和矽谷企業家相同的創業精神。尤其需要為那些充滿想法的年輕人提供儘可能多的資源,讓他們提出解決方案並在初創公司中探索這些解決方案,即使不是在車庫裡。就像任何其他技術一樣,只有當最大數量的人運用他們的創造性思維來提高裂變能源的質量和成本時,核能才能蓬勃發展。幸運的是,少數公司及其創造者正在引領潮流。

我住在馬薩諸塞州的劍橋,這裡幾十年來一直是創新的溫床。沿著風景如畫的查爾斯河,在幾平方英里的範圍內,實際上有數百家生物技術、製藥和資訊科技初創公司,其中大多數都得益於麻省理工學院和哈佛大學的地理位置優勢,它們的實驗室為潛在地轉化為有用產品的想法提供了穩定的來源。這些初創公司中的科學家、工程師和管理者不斷地相互競爭,併為最佳想法而競爭。我自己的初創公司基於一種利用 DNA 特定鹼基配對特性來製造複雜藥物的新穎方法。每年都有數十家初創公司倒閉,少數幾家上市或被其他公司收購。劍橋的整個初創企業都受到達爾文式選擇力量的支配,這使得最佳想法得以篩選出來。

這個企業的一個組成部分名為 Transatomic Power。它由麻省理工學院的兩位研究生萊斯利·德萬(Leslie Dewan)和馬克·馬西(Mark Massie)於 2010 年創立。 Transatomic Power 的目標是設計一種反應堆,可以利用核廢料發電,從而同時解決清潔能源和核廢料處理的雙重問題。這種反應堆是一種熔鹽反應堆,它依靠輕水反應堆中未裂變燃料中蘊藏的大量能量執行。它也足夠緊湊,可以單獨運送到反應堆現場。德萬和馬西是少數幾位真正看到核領域機遇的年輕人,並且願意冒險開發解決問題的新方法。

在美國西海岸的西雅圖,還有另一支核企業家團隊,由前微軟首席技術官,擁有物理學和經濟學學位的內森·梅爾沃德(Nathan Myhrvold)領導。梅爾沃德創立了一家名為Terrapower的公司,該公司採用一種名為行波反應堆(TWR)的新型核設計,該設計在 90 年代也曾被愛德華·泰勒(Edward Teller)和洛厄爾·伍德(Lowell Wood)探索過。TWR 是另一種可以利用廢料執行的反應堆,它使用貧化鈾來維持向外擴散到反應堆中的裂變波,將鈾轉化為鈽,並留下少量的可裂變廢料。TWR 有望執行數十年而無需重新裝載燃料或回收乏燃料,從而保證安全性和防擴散性。TWR 的愛好者之一是比爾·蓋茨,他對技術領域的達爾文式創新略知一二。

Terrapower 和 Transatomic 的創始人正在追隨紅色小學的夢想家的腳步。他們已經將核技術轉變為一個由學術界、工業界和政府實驗室之間健康的相互作用所維持的創意和資金的企業家遊戲。我不知道他們的反應堆是否會在不久的將來為世界提供能源,但我所知道的是,他們正在做為了維持任何成功技術發展所必需的創造和破壞的創新過程所需要做的事情。他們正在打破大型官僚政府組織及其工業界同行所設定的趨勢。最重要的是,他們樂在其中,交流想法並探索新的技術領域。我看到了這些核探險家的冒險中的希望,就像 TRIGA 的製造者看到了核電未來的希望,整個世界在 80 年代看到了計算機和生物技術探險家的希望一樣。當涉及到核技術時,我們應該讓百花齊放。然後我們可以選擇最美麗的。

這篇文章首次發表在諾貝爾周對話網站上。

Ashutosh Jogalekar is a chemist interested in the history, philosophy and sociology of science. He is fascinated by the logic of scientific discovery and by the interaction of science with public sentiments and policy. He blogs at The Curious Wavefunction and can be reached at curiouswavefunction@gmail.com.

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