时代周刊:核聚变突破或比预期更快来临

· 时事动态

7月17日,美国三大时事性周刊之一的《时代周刊》发文《A Nuclear Fusion Breakthrough May Be Closer Than You Think》,以Commonwealth Fusion Systems(CFS)为切入点,从行业专家观点、私营公司、市场需求、地缘政治竞争等角度阐述了一个观点:核聚变突破或比预期更快来临。

broken image

对于长期关注聚变能源的人来说,托卡马克大厅是核聚变研究经历数十年起伏之后的一个里程碑。建造它的CFS表示,这个空间很快将建成一台托卡马克——实现核聚变的一种关键环形装置。在托卡马克内部,科学家将把氘和氚加热到1亿摄氏度并使其聚变,过程中产生的热量可转化为电能。

在托卡马克大厅的隔壁厂房内,生产车间的员工们正忙着制造公司的核心创新成果:由高温超导带材制成的巨型磁体,这些磁体将用于托卡马克装置。它们能将超高温燃料约束在特定位置并保持稳定,为核聚变过程创造条件。在这个工厂里,他们正在为试点项目批量生产磁体,最终目标是建造一系列核聚变发电厂。这不仅证明了核聚变的技术潜力,也彰显了其商业前景。

“电力行业是一个巨大的市场,因此本质上存在巨大的财务回报潜力,” 今年3月CFS首席执行官Bob Mumgaard曾这样表示,“如果能造出满足1%能源需求的装置,你就建成了世界上最大的公司。”

美国能源系统正处于全面变革之中。不断增长的电力需求推动公用事业公司大规模建设各类设施——通常是天然气和太阳能,这两者是目前最便宜的选项。与此同时,美国已巩固了其化石燃料生产超级大国的地位。数十年来被视为遥不可及、近乎科幻的核聚变能源,有望重塑所有这些趋势,而且可能比许多能源从业者意识到的更早实现。

“我认为,我们有望在本十年期内验证核聚变条件,而本十年期仅剩五年,” 前美国能源部长Ernest Moniz表示,他目前担任TAE Technologies董事一职,“最终,它可能成为主导能源。”

毫无疑问,通向以核聚变为主导的电网之路漫长而曲折。数十年来,它一直被视为过于异想天开而未被认真对待。然而现在,核聚变似乎即将走向商业化,而全球的政策制定者和企业高管却几乎未为其广泛影响做好准备。

今年2月,一个领先的可再生能源行业协会召集行业领军人物召开了一场关于美国电力行业未来的峰会。讨论中,前美国环境保护局局长、现担任Holland & Hart律师事务所合伙人的Andrew Wheeler认为,核聚变在未来20年内不可能商业化。他称,即便技术取得进展,监管流程也会耗时过久。Ernest Moniz随即纠正说:2023年,联邦当局已宣布一项简化流程,这将使核聚变能源比传统核裂变更容易部署。

“很少有人知道这早已提上日程,” Ernest Moniz这样表示,他指的是美国核管理委员会(Nuclear Regulatory Commission,NRC)决定将核聚变反应堆归类为类似粒子加速器的设备进行监管——其固有风险远低于裂变反应堆。这一决定后来通过联邦法律得以确立。

过去六个月里,在与能源观察人士的闲聊中,有这样一句话被反复听到:政策制定者、投资者或学者否定核聚变商业化的可能性,但他们的观点要么基于过时信息,要么对当前技术现状缺乏了解。

这些误解的产生不无原因。20世纪50年代,核聚变首次进入能源领域视野,当时引发了诸多炒作。二战中,核武器已证明了核技术的破坏力,联邦官员迫切希望找到利用核能(聚变和裂变)的方法,以产生大量电力,为战后经济提供动力。科学家们曾信心满满地预测,如同核裂变一样,核聚变也能快速取得进展。

因此,数十年来,各国政府资助了大量旨在推进聚变能源的研究方法和实验。数十亿美元投入到诸如英国的欧洲联合环(JET)和法国仍在建设中的国际热核聚变实验堆(ITER)等研究设施。然而,这项技术始终难以攻克,核聚变反应消耗的能量多于其产生的能量。

2022年,美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家取得了一项具有里程碑意义的突破:实现了能量产出大于输入的核聚变反应。受此消息鼓舞,近年来私营企业和金融家纷纷投身这一领域,彻底改变了核聚变的发展格局。数十年来,核聚变研究资金主要来自政府,积累了大量技术知识,但商业化压力极小。

私营企业的做法则不同,它们试图通过快节奏、以商业为导向的创新尽快盈利。如今,美国聚变工业协会(FIA)统计显示,全球至少有45家私营企业在研发商业核聚变技术,这些公司总共融资逾70亿美元,主要来自私人投资者。

在所有的私营企业中,CFS处于领先地位。

该公司已融资超过20亿美元,远超竞争对手,计划在2030年代初实现电网供电。

媒体高度关注其技术创新:利用高温超导带材产生强磁场。但该公司的成功源于技术创新与商业化速度的结合。为应对劳动力短缺,其管理层从相关领域广泛招聘人才,而非仅局限于物理学博士。同时,他们调整设计方案和供应链,采用市场上易于获取的成熟产品,而非从零开始研发。

“我们希望尽快让这项技术发挥作用,” 公司首席科学官Brandon Sorbom表示,“其他一切都为此让路。”

SPARC装置计划于2027年实现首次产生净能量。去年年底,该公司宣布将在弗吉尼亚州建设首座商用核电站—ARC,目标是在2030年代初向电网供电。

假设CFS的电站按计划运行,一个关键问题仍未解决:其生产的电力成本是多少?

理论上,成功的核聚变在经济上应具有优势。燃料来源——氚和氘——来自易获取的资源,即海水和锂,而且生产成本应低于化石燃料。与许多可再生能源一样,主要成本将来自基础设施融资。尽管CFS的高管们坚信他们的核聚变方案能实现电网供电,但对于初期成本却不太确定。他们预计,若电价为每兆瓦时100美元,生意会不错;若降至每兆瓦时50美元,核聚变将席卷全球。“若核聚变能很快达到具有相对竞争力的电价,且有路径实现真正的成本优势,那将是一件非常有趣的事” 公司首席商业官Rick Needham说。

在电站投入运行前,成本究竟如何尚难确定。

但我们知道,任何技术的成本都会随着时间推移,随着开发者经验积累和效率提升而下降。问题在于:谁来投入资金实现这一目标?要扩大规模,CFS及其竞争对手需要再融资数十亿美元用于单个项目,且明知早期投资回报可能不及未来。

核聚变或许已获得最多关注,其资金来源也日益转向所谓的 “超大规模科技公司”—— 这些大型科技企业正四处寻找为其人工智能数据中心供电的能源。

微软和谷歌都已达成协议,计划在核聚变电站投运后购买其电力,其中谷歌与联邦聚变系统公司于今年6月达成了相关协议。

“超大规模科技公司以及所有高耗能工业用电户正开始意识到这一点,” TAE Technologies首席执行官Michl Binderbauer说,该公司的投资者也包括了谷歌。

尽管初期迹象令人鼓舞,但这些大型科技公司是否会投入资金支持建设,仍有待观察。

人们很容易被核聚变能源的乌托邦式愿景所吸引:若能完全实现,这项技术可为全球提供廉价、无限的清洁能源。鉴于能源(尤其是化石燃料)对地缘政治的影响,核聚变的支持者认为,这种能源有望缓解冲突,创造更和平的世界。它还将极大助力应对气候变化——不仅重塑当前电力行业,还将促使人们重新思考工业和交通领域的能源利用方式。

但技术变革很少如此简单。历史上,新能源的出现总会打破现有权力结构,产生赢家和输家,并引发波及多个行业和国家的不可预见的后果。

事实上,中国正密切关注并加紧建设国有核聚变企业。如果中国在核聚变商业化方面做得更好,将显著改变地缘政治格局。“中国是一个极具主动性的国家,在一个又一个领域,中国都早早投入,” 弗吉尼亚州民主党参议员、情报委员会副主席Mark Warner今年2月在一场核聚变活动中这样说道。

即便对于关注核聚变的人来说,也几乎难以对其商业化做好准备。包括美国在内,全球电力需求都在增长,公用事业公司需要确保电网有足够的现有技术供电。对于一个以数十年为规划周期的行业而言,时间节点极具挑战性。包括美国在内的许多地区,可能会在商业核聚变即将投入运行之际,迎来能源需求激增并大规模建设能源基础设施。

这种时间重合可能代价高昂。如果廉价的核聚变电力出现,未来十年建成的发电厂可能成为搁浅资产。为当前能源结构设计的电网基础设施可能需要高昂的改造费用。围绕化石燃料和传统可再生能源构建的监管框架也需要根本性的重新思考。

“问题在于它现在还未到来,” Rick Needham说。

但在能源市场中,一项技术介于 “过于超前” 和 “下一个重大变革” 之间的界限十分微妙。如今,我们可能正接近这一界限。

原文链接:

  • https://time.com/7302543/nuclear-energy-commonwealth-fusion/