環境與生態

核融合發電機不可失

幾位勇敢的物理學家已獲得億萬富翁的金援,正率領新創團隊,嘗試以更快速、更便宜的方法取得終極的乾淨能源。

撰文/吉布斯(W. Wayt Gibbs)
翻譯/宋宜真

環境與生態

核融合發電機不可失

幾位勇敢的物理學家已獲得億萬富翁的金援,正率領新創團隊,嘗試以更快速、更便宜的方法取得終極的乾淨能源。

撰文/吉布斯(W. Wayt Gibbs)
翻譯/宋宜真


我坐在美國三氦能源公司(Tri Alpha Energy)核融合實驗反應器的控制室中,眼前的電腦螢幕顯示著「電漿槍」以及「擊發控制」。當一切就序,我內心感到些許焦慮。這具反應器是發電廠的初期原型機,在可控制的情況下,能夠以恆星和氫彈內部產生能量的方式來發電。


我看著高處螢幕顯示的影像:在這座不起眼的倉庫中,工作人員從大型反應器旁走向門口。在反應器中央有個閃亮的圓柱形真空室,長度大約等於兩部公車相接。兩打環狀電磁鐵圍繞真空室,每個電磁鐵都比我高,而且跟我的腿一樣粗。要是我按下按鈕,真空室的溫度就會開始上升,甚至瞬間可高達1000萬℃。


這時操作人員對我說:「按下按鈕。」我照做。


隔壁建築物中有四具七公噸重的飛輪,由當地電力網供電,今早開始加速旋轉,輸出2000萬瓦的電力。電流提供能量給環狀磁鐵,把大肚量的電容庫充得飽飽的,準備應付即將來臨的大挑戰。短短兩分鐘內,控制螢幕上的儀錶便從「準備中」變為「待擊發」。


操作人員傾身朝向麥克風,透過擴音器說了聲:「發射。」警示燈開始閃爍。我把游標移到「擊發」的按鈕上,然後,點擊了一下。


電容在一微秒內釋出蓄積已久的電力。氫離子雲從圓柱形真空室的兩端以時速將近100萬公里推進到中心。兩股氫離子互撞,形成一團熾熱的旋轉電漿,外形就像一根巨大的空心雪茄。


這景象描繪起來頗具戲劇性,但在控制室中,沒有閃光、沒有轟隆巨響,只有一聲微弱的「砰」,彷彿有人的扳手掉落在反應器房間裡的水泥地上。轉瞬間,電漿消失了,電腦開始處理反應器中數十個感測器蒐集到的10億位元組資料。警示燈熄滅,工作人員回到各自的工作崗位上。


這不過是核融合反應器的一次發射任務。三氦公司每天要啟動100次,多擊發一次沒什麼大不了的。


我在2016年2月到訪時,這部C-2U測試機兩年來已經「砰」了五萬次,提供三氦團隊研發所需的一切資料。三氦公司的科技主任賓德鮑爾(Michl Binderbauer)是個身材瘦長、情緒容易亢奮的物理學者,4月時他要工程師把機器拆了,然後在2017年中之前,以拆卸下來的零件為基礎,建造出更先進的反應器「C-2W」。


三氦團隊的策略是:快速建造一個原型機,測試足夠次數之後,就改裝成更進階的機器。這種驚人的方式偏離了核融合研究的標準模式。數十年來,科學家設計出體積龐大的機器,想要解開這些熾熱、高壓電漿引發的謎樣現象。這些電漿應該會觸發核融合反應,然而,過往的實驗卻通常沒有成功。賓德鮑爾是奧地利維也納一位連鎖企業家之子,也是典型的新一代核融合工程師。他的目的不在於打造高能物理學的新里程碑,而是在投資者的資助下,以工程師的邏輯和堅定意志建造出實用的發電廠。


令人失望的大型核融合計畫


其他幾個新創團隊,例如加拿大溫哥華近郊的通用核融合公司(General Fusion),也同樣拍胸脯表示,他們無須解開物理學中每個複雜的細節,就可以建造出商用的核融合發電機。這種發電廠要運轉,仰賴從用之不竭的海水或一般礦泉水中汲取燃料,發電過程也不會產生碳。也就是說,這種發電廠能夠全年無休產生足夠的電力供應整座城市,卻幾乎不會排放溫室氣體,也不會釋出輻射或是核武疑慮。這些新加入的先鋒部隊只需解決人類迄今遇過最難纏的某些物理和工程學問題。


現在,這些實用主義者開始受到世人矚目,因為學院派的路線已經行不通了。龐大的反應器雖然幫我們釐清某些核融合的問題,但是預計到本世紀中葉都還無法實際供電。


最明顯的例子是美國勞倫斯利佛摩國家實驗室耗資40億美元打造的「國家點燃設施」(NIF),藉由上兆瓦特的雷射脈衝點燃小巧的燃料罐。賓德鮑爾以輕快的奧地利口音說,「NIF一年只擊發數百次」,但想要穩定發電,一天必須擊發數萬次。NIF已經做出一些實用的武器研究(此計畫的主要目的),但能量輸出還得增加幾乎三萬倍,才能支援雷射運轉。如果要商轉,則還得再增加好幾倍。兩年多前,勞倫斯利佛摩國家實驗室正式放棄研發用於發電廠的原型機。


另一個令人沮喪的例子,是位於法國的「國際熱核實驗反應爐」(ITER)。這是由多個國家合作建造的機器,高10層樓,仰賴巨大的超導磁鐵來控制熾熱電漿,每次燃燒時溫度可達1億5000萬℃,並且持續數分鐘。但即使成功,ITER還是無法產生電力。


2006年,各國政府啟動ITER計畫,期望能把成本控制在110億美元,並在2016年建造完成。但到了2016年5月,成本暴增到200億美元,其中美國要負擔50億美元,而且整項計畫至少得等到2035年才能順利運轉。美國這些深感挫折的參議員以90比8的懸殊票數決定砍掉預算。不過後來美國能源部(DOE)謹慎表態支持,在這篇文章付梓前,這項計畫還沒被踢下桌,至少2017年還可以繼續進行。


雖然這些巨型發電設施進展緩慢,賓德鮑爾等人不願坐困愁城,因而採取新的策略,希望以較小型的機器來解決問題。為了順利供電,他們得把少量的燃料壓縮得夠密實、加熱到夠高溫,並且讓這個狀態維持得夠久,原子才能融合在一起,把其中極小的質量轉換成極大的能量。


NIF和ITER的設計剛好位在可行方案光譜的兩端,這些方案的電漿密度以及能量約束時間(熱能維持在電漿中的時間)差異極大,剛加入這個戰場的新血,大多會希望在較少人探索的中間頻帶尋找更佳的密度和時間組合。


同樣重要的是,這些新創團隊究竟成功或失敗,結果也能較快顯現。洛沙拉摩斯國家實驗室(LANL)的核融合物理學家許士加(Scott Hsu)表示:「這些反應器比ITER便宜100倍,建造過程更簡單、速度也更快,因此能配合較緊湊的研究進度。」許士加目前也與一家新創團隊HyperV科技公司合作,進行一項新計畫。(在這款設計中,數百支槍管會瞄準球狀反應器的中心,噴發出氬電漿,內爆並壓縮氫燃料。)任何足以讓計畫停擺的設計缺陷,將在投入數十億美元的資金並展開為期數十年的計畫之前就會浮現。


這種策略擄獲了投資者的心。通用核融合公司募集到的一億美元,部份來自亞馬遜網路書店的創辦人貝佐斯(Jeff Bezos)、加拿大政府,以及馬來西亞政府的主權財富基金。三氦公司則宣稱已經募資了數億美元,投資者包括高盛集團以及微軟創辦人之一的艾倫(Paul Allen)。另一個快速崛起的團隊是美國山迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories),而DOE的國防高等研究計畫署能源處(ARPA-E)就像創投公司那樣,對此挹注了大量資金。


這些資助者投下高風險、高獲利的賭注。的確,套句山迪亞計畫中資深理論物理學家史洛茲(Stephen A. Slutz)的話,人們聽到核融合研究會認為:「嗯,這是個好主意,但這樣做行不通。」......