Helion宣布新牵手微软，即将启动首座聚变发电厂

据几位核专家称，Helion Energy 公司宣布即将实现太阳能发电技术商业化，这是一个令人震惊然而有待确认的说法。主要是因为该公司没有透露它是否通过了核聚变的第一个大测试：从这个过程中获取的能量比驱动它所需的能量多。

尽管如此，这家总部位于美国华盛顿州埃弗雷特（Everett）、成立已有 10 年的公司已经为计划中的商业设施找到了第一个客户，与软件巨头微软（Microsoft）达成了电力购买协议。Helion 预计该工厂将建在华盛顿州的某个地方，计划于 2028 年上线，并在一年内达到至少 50 兆瓦的发电能力。

这对于发电厂来说是很小的：一个典型的美国天然气发电厂的发电能力现在远远超过 500 兆瓦。但是，如果 Helion 成功了，那将是一件大事：经济的商业核聚变发电厂可以提供稳定的清洁电力，而不存在太阳能和风能产电不稳定的稳定，也不存在与核裂变技术相关的争议和担忧。在削减电力带来的温室气体上，它不仅能降低成本，还能让操作变得更加容易，并有助于满足日益飙升的电力需求，因为全世界都在努力减少交通、家庭、办公楼和工业的污染。

图 | 将用于“北极星”的电磁线圈（来源：HELION）

其他核聚变初创公司的目标是在 21 世纪 30 年代初开始运营发电厂，许多观察人士认为，即使是这样的时间表也过于乐观。

Good Energy Collective 是一个倡导使用核能的政策研究组织，该组织的执行董事杰西卡·洛弗林（Jessica Lovering）说，除非 Helion 取得了大多数组织都会吹嘘的一些重大进展，否则该公司仍然面临着一系列非常困难的技术任务。

这包括产生比该过程使用的更多的能量，并将这些能量转化为一种稳定的、负担得起的、可以流入电网的电力。

洛弗林说：“因此，还有两大未经证实的步骤。”她补充说，自己“对技术成熟度持怀疑态度”。

突破研究所（Breakthrough Institute）核能创新项目主任亚当·斯坦（Adam Stein）也认为，Helion 似乎仍面临一些重大的技术障碍。

他说：“这并不意味着不可能，但也不是人们经常描绘的那种稳步迈向胜利的过程。”“这些都是我们正在谈论的突破。”

获得收益

到目前为止，只有美国劳伦斯利弗莫尔的国家点火装置，实现了所谓的“科学净能量增益”。也就是说，在这种情况下，它从聚变中产生的能量比用于触发反应的 192 个激光器产生的能量还要多，这一里程碑是在 2022 年年底实现的。

然而，该实验并没有达到所谓的“工程增益”，即考虑到用于为激光器供电和其他驱动过程的总能量。专家说，达到这一点对于开发实用的商业核聚变系统至关重要（与此同时，到目前为止该实验室还没有成功重复这一壮举）。

图 | 一位工程师正在为脉冲功率测试做准备（来源：HELION）

2015 年，Helion 的 CEO 大卫·科特利（David Kirtley）告诉我，他相信该公司可以在未来三年内实现“科学收益”。当本周再次被问及该公司是否取得了科学或工程成果，或者何时有望取得成果时，Helion 以竞争力问题为由拒绝置评。该公司表示，“最初的时间表预测”的前提是它能够更快地筹集资金。

除了技术挑战之外，Helion 还需要规划、许可和建造其商业工厂，尽管美国核管理委员会正在敲定如何监管这一新兴行业的细节。

但科特利强调，这家拥有近 160 名员工的公司正在采取一种方法，避开其他研究小组和初创公司面临的一些障碍。他还表示，它已经取得了重大进展。

迄今为止，Helion 已经开发并测试了六种原型。该公司在 2021 年宣布，最新的 Trenta 工厂达到了超过 1 亿摄氏度的温度，这使其成为第一家公开宣布达到商业工厂所需温度的私营公司。该公司目前正在建造第七个“北极星”（Polaris），预计 2024 年将展示利用这种反应发电的能力。

“考虑到核聚变的历史，我们知道会有怀疑，我们相信怀疑是有益的，”Helion 在对《麻省理工科技评论》的回应中说。

该公司在声明中继续说道：“我们第六个原型机的结果和进展给了我们很大的信心，我们的时间表是可实现的，我们可以在 2028 年之前建造第一座聚变发电厂。”

等离子体和脉冲

传统核电站的核裂变反应是将原子分开，而核聚变则是在极高的温度下将原子聚集在一起，以克服原子之间的排斥力。这就产生了一个新的原子，减去了一点质量，原子的质量损失产生了大量的能量。

大多数其他实验室和初创公司依靠强大的激光或被强大磁铁包围的甜甜圈形状的机器（被称为托卡马克）来创造条件，使一系列持续的聚变反应能够发生——这种条件被称为点火。但是 Helion 公司正在开发一种叫做“脉冲不点火聚变系统”的东西，这种系统只需要在短时间内进行聚变。

该公司的设备是一个 6×40 英尺的杠铃形状的“等离子加速器”。它使用强大的磁铁将气体混合物加热到原子分裂的程度，在设备的两端形成被称为等离子体的超高温物质环。

该公司表示，磁铁会以每小时 100 万英里的速度推动这些环相互撞击，并在设备中间进一步压缩它们，从而产生超过 1 亿摄氏度的温度。这就引发了核聚变反应，其中原子核碰撞之后，质子会和中子结合，从而释放出各种粒子并产生能量。

其他核聚变方法需要额外的步骤将能量转化为电能，通过传统的方法比如加热水或加其他工作流体，借此将其转化为气体，从而推动涡轮机。但科特利说，Helion 的过程可以直接回收电力。

当等离子体继续加热和膨胀时，它自己的磁场会推动设备周围磁铁产生的磁场。这就驱动了带电粒子流，也就是让电流通过相邻的电磁线圈。而这反过来又给一个被称为电容器的能量存储装置充电，该装置为磁铁供电，使它们准备好发射下一个脉冲。

为了让这套装置能像发电厂一样运行，Helion 的设备将需要在脉冲所需的能量之上产生额外的能量，这些能量将被转换成交流电并输送到电网中。

科特利说，计划中的商用发电机在物理上不需要比 Helion 最新的原型机更大，但它需要额外的冷却系统、电力连接和其他用途。

“工程挑战”

美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin Madison）的核工程教授保罗·威尔逊（Paul Wilson）说，如果一座商业核聚变工厂在 2028 年建成并投入运行，他会感到“惊讶”。但他表示如果真的发生“将是令人兴奋的”。

他同意 Helion 的方法有内在的优势，但他也注意到一些不容忽视的折衷。

实现核聚变最简单的燃料选择是氢的两种同位素——氘和氚的组合。但是，Helion 用氦 -3 替代了后者。

这将产生更少的中子，这是一种亚原子粒子，通常隐藏在原子核中，并使其他物体具有放射性。Helion 的方案可以减少对设备的损坏，并缓解下游的放射性废物问题。威尔逊说，但这也使获得必要燃料的过程和实现聚变条件所需的工程变得复杂。

类似地，脉冲方法确实消除了创造持续聚变反应的需要，Zap Energy 等竞争对手也在研究脉冲方法的不同版本，但这也使得前期工程更加棘手。

威尔逊说：“挑战在于证明……他们是否能产生足够大的脉冲来产生足够的能量，然后捕获足够的能量来为下一个脉冲提供燃料。如果他们能够做到这一点，那么他们在系统其余部分可能面临的工程挑战将比其他一些公司正在努力完成的要容易得多。”

“超级自信”

还有其他一些优势，包括该公司拥有可观的资金来支持其努力。

迄今为止，Helion 已经筹集了 5.7 亿美元的风险投资，投资者包括彼得•泰尔（Peter Thiel）的 Mithril capital、Y Combinator、Facebook 联合创始人达斯汀•莫斯科维茨（Dustin Moskovitz）和 LinkedIn 联合创始人里德•霍夫曼（Reid Hoffman）。但其大部分资金来自 2021 年 11 月宣布的一轮 5 亿美元融资，其中包 OpenAI CEO 萨姆·奥特曼（Sam Altman）的 3.75 亿美元，这是它最大的一笔融资。

奥特曼此前对《麻省理工科技评论》表示，他最初向 Helion 投入了约 1000 万美元，但后来大幅增加了投资，因为他“变得非常有信心它会成功”。

图｜第七代原型核聚变发电机“北极星”（来源：HELION）

根据当地时间周三宣布的协议，微软将支付 Helion 发电的费用，前提是该电厂最终建成并投入运营。微软没有回答是否有任何预付款的问题，也没有回答是否对 Helion 进行了任何投资。

科特利说，该协议使 Helion 能够瞄准一个地点，并表明市场需求可能会刺激商业核聚变的额外活动。

微软副董事长兼总裁布拉德·史密斯（Brad Smith）在一份事先准备好的声明中表示，这笔交易将支持公司的“长期清洁能源目标”，并“将推动市场建立一种新的、有效的方法，以更快的速度将更多的清洁能源引入电网。”

监管方面的挑战

在商业活动日益增多的情况下，针对核聚变电厂的许可方式。美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission）在最近做了关键性决定，即要求厂商采用可用于粒子加速器研究的方法，而不是用于裂变电厂的繁琐型手段。

专家说，核聚变系统确实会产生核废料，这就需要在处理这些材料和最终让核电站退役时制定周密的程序和规则。但这些设施不会像核裂变工厂那样产生非常持久的放射性垃圾，也不会带来与之相应的储存挑战、争议和武器扩散风险。

核管理委员会的工作人员现在需要制定一个具体的“规则制定”程序，以便在这种方法中批准核聚变，这可能需要几个月到几年的时间。

突破研究所的斯坦说，展望未来核聚变项目似乎应该比传统核电站更快获得批准，而传统核电站在美国很容易需要 10 年的时间才能获得许可和建造。

就科特利而言，考虑到 Helion 取得的进展、美国核管理委员会的决定、他们与州和联邦监管机构的持续合作，以及他们已经批准了一些原型机，他“有信心”认为 Helion 将能够在 2028 年启动世界上第一座聚变发电厂。

但他也承认，该公司面临着巨大的挑战，而且有可能出现延期。

他说：“事实是核聚变很难，建造新的电厂很难，首创任何事物也很难。这也是我们今天努力走在前面，努力解决所有这些问题的原因之一。”

支持：大义

原文：

https.//www.technologyreview.com/2023/05/10/1072812/this-startup-says-its-first-fusion-plant-is-five-years-away-experts-doubt-it/