核聚变发电还要30年 但已有4种现实应用！

英国卫报发表署名Stuart Clark的文章，题目是：Fusion power might be 30 years away but we will reap its benefits well before（聚变发电可能还需要30年的时间，但我们很早就会从中获益）。

（来源：“国际能源小数据” 作者：E Small Data）

核聚变研究在从治疗癌症到电动汽车的优质电池等各个领域都有潜在的巨大实际应用。

1776年3月，詹姆斯·瓦特的第一台商用蒸汽机在英国西米德兰兹郡蒂普顿的布卢姆菲尔德煤矿安装时，被誉为机械奇迹。然而，当时很少有人能预料到蒸汽机会改变世界。该技术最初是为了从矿山抽水而开发的，后来在许多行业和应用中得到了应用，引发了工业革命。现在，根据那些致力于聚变能源发电厂开发的人的说法，我们正处于类似转型的风口浪尖。伯明翰TAE电力解决方案公司首席战略官Lu Fong Chua表示：“我认为这项工作具有与当年瓦特相同的通用技术特征。”

聚变是使恒星发光的能量产生机制。有一种说法是，地球上的人类工程聚变发电目标总是“30年后”。但如果我们能让聚变最终发挥作用，有望提供如此大量的清洁能源，我们最终将能够摆脱化石燃料。由国家资助的大型项目，以及越来越多的私营初创公司，都报告了许多业内人士现在认为将导致可行的聚变能源的突破。

2022年，英国政府宣布了位于诺丁汉郡西伯顿的球形托卡马克能源生产（STEP）项目的选址，这突显了他们的乐观态度。该示范工厂旨在到2040年代向国家电网供电。在开发这种聚变发电厂的过程中，我们正在创造新的技术和解决方案，其范围远远超出了能源生产的任务。

在英国，原子能管理局（UKAEA）在牛津郡的Culham建立了聚变集群，以推动聚变产业的发展。自2021年成立以来，该集群已从少数几家公司发展到200多家。虽然关键目标仍然是开发到2040年代建造英国商业聚变发电厂所需的技能和技术，但将分拆商业化也是当务之急。该中心的开发经理Valerie Jamieson说：“聚变集群的作用之一是告诉人们，不仅聚变时代即将到来，而且在我们拥有第一座聚变发电厂之前的几年，它就有价值，因为我们已经出现了这些早期应用技术。”

正如Shine Technologies的创始人兼首席执行官Greg Piefer在21世纪初意识到的那样，这是一个刺激投资的领域，当时他看到开发商业聚变能源将是一条漫长而昂贵的道路。这促使他思考如何在开发过程中就获得利润，这样投资者就可以看到更直接的回报。他说：“这对核聚变商业化的使命至关重要。”

目前，聚变衍生技术在四个关键领域发挥着关键作用。

——推进系统

聚变反应堆必须做的一件看似不可能的事情是将气体限制在1亿摄氏度左右，这个温度足以熔化任何材料。幸运的是，在这个温度下，气体会带电，因此可以通过磁场来控制。磁场的强度决定了反应堆的大小，从而决定了建造它的成本效益。因此，制造高效磁铁一直是Tokamak能源公司的核心目标，该公司是聚变星团的一部分，总部位于牛津郡米尔顿公园。2023年，他们宣布创建新一代高温超导磁体，其提供的稳定磁场比现有技术强10倍甚至20倍。Tokamak首席执行官Warrick Matthews表示，这种磁铁不仅为可行的聚变技术应用开辟了道路，而且“可以改变现有市场并创造新市场”，其中一个领域是磁流体动力学（MHD）驱动器的创建。自20世纪50年代以来，理论家们就知道MHD驱动器利用磁场产生带电流体射流来推动车辆。由于没有运动部件，所以不会磨损。

——医疗应用

聚变过程可以使用几种可能的反应来产生能量。1998年，TAE选择了硼原子与质子的聚变，这让他们对治疗癌症的古老研究计划大开眼界。20世纪30年代的原子先驱们表明，硼与中子粒子反应分裂成锂和氦具有很强的亲和力。1936年，宾夕法尼亚州富兰克林研究所的Gordon Locher指出了这种反应破坏癌细胞的潜力。随着锂和氦的反冲，它们将能量沉积在大约5-9微米的范围内，这相当于典型的癌症细胞的大小。这种突然释放的能量会破坏细胞。

虽然硼可以通过药物引入患者体内，但在20世纪中叶找到合适的中子源是一个大问题。从历史上看，患者必须被带到核反应堆，并暴露在其核心的中子中。不太理想。现在，问题几乎解决了。TAE聚变计划的一项关键创新是创建了紧凑型粒子加速器，可用于产生紧密聚焦的中子束。在聚变中，它们被用来为反应堆提供燃料。TAE生命科学公司首席执行官Rob Hill表示：“我们能够将这些光束重新配置用于医疗目的。”该公司目前正在与伯明翰大学医院和伦敦大学学院医院讨论安装实验设备。与此同时，Shine Technologies正在其位于威斯康星州Janesville和荷兰Veendam的工厂生产镥-177，这是一种医学上有用的同位素。

镥也用于靶向癌症，类似地通过与癌症细胞结合的药物递送。与硼不同，它不需要中子来激活它。相反，它具有放射性，半衰期约为六天半，发出高能电子，将癌症细胞撕裂。它还发射伽马射线，开启了医疗成像设备的可能性，可以跟踪癌症的进展和治疗的有效性。然而，半衰期如此之短意味着这种同位素在自然界中并不存在，因此必须使用聚变技术来制造。

——工业影像

点燃聚变的一种方法是使用激光压缩和加热氢燃料颗粒。21世纪初，在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究实现这一目标所需的激光时，物理学家Markus Roth及其同事发现，如果他们将目标改为薄箔材料，他们可以将箔中的粒子加速到巨大的速度。

2021年，Roth在德国达姆施塔特建立了“聚焦能源”公司，开发了一种能够以现有技术100倍强度加速中子束的激光系统。中子可以像X射线一样用于成像，但更具穿透性，这意味着它们可以看到更致密的材料内部，Roth目前正在与土木工程公司讨论部署该系统，以检查混凝土建筑和桥梁内的钢材是否有腐蚀迹象。同样的技术也可以产生称为μ子的粒子，从而开辟更大的成像项目。当太阳粒子撞击地球高层大气中的原子时，会自然产生μ子。它们具有巨大的穿透力，在2011年福岛核事故后被用来定位熔融的反应堆堆芯。

2017年，一组类似的探测器在埃及吉萨大金字塔中发现了一个以前隐藏的房间。地质学家利用μ介子来研究火山爆发前岩浆的运动，缺点是自然产生的μ介子数量相对较低。把手举到太阳前，每秒只有一个μ介子穿过你的手掌。因此，对福岛核电站的核心进行成像花了五个月的时间。Roth的激光方法可以将μ介子的数量提高10000倍，大大加快成像过程，尽管目前研究火山的足够大的系统的开发仍在未来的某个地方。

——核废料处理

目前，聚光能源公司最大的衍生项目是与德国政府签订的一项合同，该合同将建造第一个用于检查核废料容器的激光驱动中子源。德国在2023年关闭了最后一座核电站，现在必须处理几十年来堆积的核废物。聚焦能源的成像系统将确定桶内物质，以及废物的状况，以便它们能够安全地最终储存。

在大西洋彼岸，Shine计划更进一步。如果中子束可以变得更强烈，它可以将废物转化为危害较小的物质，而不是使用中子对废物进行成像。例如，传统的核反应堆将铀-235或钚-239分解以产生能量。废料是碘-129，半衰期超过1500万年。然而，如果它可以被高强度中子束轰击，它将转化为碘-128，其半衰期仅为25分钟。事实证明，许多聚变发电厂将大量制造出实现这一目标所需的中子。因此，未来的反应堆不仅将解决世界能源问题，而且可以用来帮助清理第一批核反应堆留下的肮脏遗产。