Focus Energy公司的激光聚变能源探索

随着气候变化的影响越来越明显，核聚变——一种几乎无限量的无碳能源——前景正受到新一波的关注。该领域已经吸引了近50亿美元的资金，最近市场对它的兴趣已经超出了预期。

1、聚变研究

聚变商业化的最新消息来自初创公司Focus Energy，该公司由物理学教授托德·迪特米尔(Todd Ditmire)和马克斯·罗斯(Markus Roth)创立，这两位是超高功率激光器方面的专家。

这家初创公司去年夏天成立，拥有一批经验丰富的科学家，包括普拉夫·帕特尔(Prav Patel)，他在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室工作了23年。

如今，这家初创公司已经从风险投资公司原动机实验室(Prime Movers Lab)获得了1500万美元的早期启动资金，另外还有马克·洛尔(Marc Lore)(他分别将电子商务公司Dippers.com和Jet.com出售给亚马逊和沃尔玛)、技术投资人托尼·弗洛伦斯(Tony Florence)和前洋基棒球手亚历克斯·罗德里格斯(Alex Rodriguez)。

核聚变原理

与核裂变(为当今世界上所有的商业核反应堆提供动力)不同，聚变不会产生持久的核废料。

但聚变需要在极高的温度下进行持续反应，尽管经过几十年的努力，但还没有人知道如何将其转化为商业上可行的能源。

在将聚变商业化的竞赛中，有两大路径：磁约束聚变(使用超强磁体和一种称为托卡马克的圆形装置)和惯性约束能量(通常使用激光)。

原动机实验室已投资联邦聚变系统公司(Commonwealth Fusion Systems)，这家总部位于波士顿的聚变公司是麻省理工学院的分支机构，经验丰富，是磁约束聚变方面的最佳公司。

合作伙伴卡莉·安德森(Carly Anderson)表示，Focused Energy是其“突破”激光驱动方法的首选。

即使如此，这种与太阳动力相同的能源研究，还需要大量的努力。

核聚变顾问马修·莫伊尼汉(Matthew Moynihan)在接受CNBC采访时说：“Focused Energy正在利用政府70多年来对聚变研究的经验。他们有一个可信的团队和一个良好的计划，但他们也面临着艰巨的挑战。”

2、超强激光

迪特米尔在利弗莫尔国家实验室工作了三年，在那里，他研发了第一台超强大的千万瓦激光器，并结识了罗斯。

2000年，迪特米尔加入了德克萨斯大学，他制造了德克萨斯佩特激光器，这种力量很难概念化。

迪特米尔在6月份的一次对话中解释说：“美国电网产生约5万亿瓦的电力，也就是0.5太瓦。一皮瓦相当于1000万亿瓦。因此，一皮瓦激光器的功率相当于美国电网输出功率的200倍。”

他继续说道：“如果把落在德克萨斯州的所有太阳光的瓦数都算进去，大约是140太瓦。所以我总是说，皮瓦比德克萨斯州的太阳还要亮。”

2010年，迪特米尔在奥斯汀成立了一家名为“国家能源”的公司，设计和制造他自己研究所需的高功率激光器。

迪特米尔告诉CNBC：“事实证明，在2010年，你唯一能得到定制功率激光器的地方是法国。”

在公司的巅峰时期，拥有大约30名员工。

2014年，国家能源公司赢得了一份价值4000万美元的合同，向捷克共和国交付一台10兆瓦的激光系统，该公司正处于最后阶段。

项目结束后，迪特米尔正在将国家能源的所有知识产权转化为Focused Energy。

“我决定是时候去杀一条更大的龙了，”迪特米尔说，“还有什么比聚变能更大的龙呢?”

迪特米尔与Marvel Fusion(另一家致力于激光聚变商业化的初创公司)合作了六个月。罗斯还曾在Marvel Fusion工作过一段时间。

迪特米尔说，Marvel Fusion使用质子硼作为燃料源，这是一个“有趣的概念”，但他“真正的兴趣”是研究激光聚变，使用氢同位素氘和氚制成的燃料。

3、聚变里程碑

美国利弗莫尔国家实验室的国家点火装置，这一套装置最终目的是让192台激光装置在十亿分之一秒内同时发射并击中铅笔头大小的燃料球。

所以罗斯和迪特米尔决定创办自己的公司。

2009年，利弗莫尔国家实验室完成了国家点火设施的建造，其中192束激光束指向一个中央室，产生了恒星、行星和爆炸核武器中心存在的各种温度和压力。

帕特尔预计，该团队将在几年内到达一个关键的聚变里程碑——点火。

帕特尔告诉CNBC：“我认为这会很快。那几乎是10年前的事了。然后我们花了10年的时间来点火。”

该实验室最终于2021年8月8日点火，这意味着它产生了1.3兆焦耳的能量。该实验室惯性约束聚变项目的首席科学家奥马尔·A·哈里坎(Omar A.Hurricane)当时告诉CNBC，这是聚变行业的“莱特兄弟时刻”。

这一确认对于新兴行业的投资者来说是重要的一步。

安德森在接受CNBC采访时说：“NIF的成功，消除了Focused Energy公司方法的一个主要风险因素。为了集中能量实现经济高效的聚变，团队需要开发廉价的激光器和廉价的聚变燃料。这些都是工程上的挑战。重大的科学风险(解决从零开始产生燃烧等离子体的机器所需的等离子体物理挑战)已经消除。”

在这一里程碑式的成就之后，帕特尔愿意接受罗斯和迪特米尔加入他们的提议——他之前拒绝了这一提议。

Focused Energy公司将使用迪特米尔一直在制造的激光器和帕特尔在利弗莫尔国家实验室工作了几十年的激光器。

帕特尔说：“我们有传统的长脉冲激光器，比如在NIF，用来压缩这种燃料。然后我们有托德所说的几瓦激光，用来产生这种强质子束。”

目标是用火花点燃燃料。帕特尔说，理想情况下，这种燃料会继续自行燃烧，即所谓的“传播燃烧”，以熔化剩余的燃料。

“这是一个方案，使用比NIF小两到三倍的激光器，可能获得30倍的能量。”

在压缩机真空容器内，这是托德·迪特米尔建造的德州皮瓦激光器的核心部件。这是世界上最大的两个衍射光栅，用于传播激光脉冲。

根据迪特米尔的说法，与磁约束聚变相比，使用激光点火聚变的优点之一是它只使用少量的氚(一种中等放射性同位素)。

4、聚变投资

该公司正处于非常早期的阶段，未来面临重大挑战。

莫伊尼汉告诉CNBC：“他们需要能够廉价、可靠地制造聚变燃料的小颗粒，并将其放置在一个室内进行压缩。一旦聚变，他们必须将产生的聚变能量转化为安全、经济和可靠的电能。所有这些都需要在NRC(核管理委员会)编写的聚变法律框架内完成，这些规则仍在不断发展。”

Focused Energy的目标是到2030年用点火设施证明其聚变过程，这将花费30亿美元。

迄今为止筹集的1500万美元

将用于德克萨斯大学奥斯汀分校的激光系统，并在德国达姆施塔特建立实验设施。

迪特米尔说，21世纪30年代的示范发电厂“并非不可想象。这还不算太晚。它可能来得正是时候。我们可能没有时间磨蹭了。”

一个商业聚变设施将花费Focused Energy大约50亿美元。

但现在资金正在聚变中流动。迪特米尔花了四年时间往返于华盛顿特区，在国会游说，才获得1500万美元来建造德克萨斯州的千兆瓦激光器。

“这花了我四年的时间。你知道，我们筹集了1500万美元，”Focused Energy的迪特米尔说，“投资者的兴趣令人震惊。”

聚变产业取决于投资者对能源“圣杯”的持续兴趣。

“我们站在巨人的肩膀上，”迪特米尔说，“但时代在变，这意味着科学进步的速度必须加快，而这将发生在私营部门。”

对于迪特米尔来说，对于个人也意义重大，他告诉CNBC：“在我职业生涯结束之前实现这一点，将是我职业生涯的完美谢幕。”