核聚变的多元化应用

尽管取得了重大突破，但聚变堆的成本效益仍然难以捉摸。商业聚变已经存在，不过大部分不是专注在电力方面。

1、聚变商业化

SHINE Technologies创始人兼CEO 格雷格·皮尔弗的愿景是立即从聚变技术中开发价值。

聚变是商业化的吗?当谈到发电项目时，现在的答案绝对是“不”，但从中子的角度来说，情况就不同了。

SHINE Technologies创始人兼CEO格雷格·皮尔弗(Greg Piefer)表示：“聚变是商业性的，聚变将在人类创造的最恶劣的辐射环境中产生一些人类创造的有史以来最热、密度最高的物质状态，然后把一些最脆弱、最奇异、最昂贵的材料放入其中，为世界增加价值，让你学会如何在未来更经济高效地进行聚变设计。应用这些经验教训，也许是创造具有成本效益的聚变能源的正确途径。”

皮尔弗创立公司就是受到这样一种认识的启发，尽管成本效益高的聚变动力可能有些遥远，但聚变仍然具有相当大的商业机会。

皮尔弗没有关注聚变的电能，而是专注于使用聚变反应中产生的中子。而且，事实证明，在每个聚变反应的基础上，这些中子可能比产生的电能更有价值。

2、中子市场

中子射线照相用于检查燃气轮机叶片冷却通道。

皮尔弗说：“我知道有一个市场，中子量供不应求——中子射线照相术。”

与X射线相比，中子往往会在密度较低的材料上散射更多，也可以很容易地穿透钢或铅等材料，因此它们提供了一种称为中子射线照相术的互补成像过程。

皮尔弗说：“这是一个每年1亿至2亿美元的市场。虽然不是一个巨大的市场，但从历史上看，一直都需要反应堆作为中子源。而全国只有少数几个反应堆是为了实现这一目标而设立的，由于准入问题，它们在很大程度上限制了中子射线照相术的发展。我们马上就知道，我们可以利用聚变的优势，在一些无损检测市场中发挥作用。中子射线照相只是其中之一。

无损检测最大的一个应用是对制造的零件进行成像并寻找缺陷。

中子射线照相术被积极使用的一个例子是，确定涡轮机叶尖中的小型冷却通道，该专利技术应用广泛。探测的也是一种相对常见的制造缺陷，这种缺陷可能导致涡轮机的灾难性故障。

SHINE开发了一系列基于聚变技术的设备来生成射线照相图像，并服务于其他市场。

“我们有氘-氘装置，其中一些我们甚至已经出售。我们有质子-铍源，有氘氚聚变源，这是我们最强大有力的中子源。”他说。

他们目前的聚变装置是离子束型的，其中氘离子的粒子束被加速到约320KeV，并发射到气体目标中以产生中子散射。

3、生产极端稀缺元素

SHINE位于美国威斯康星州詹斯维尔的美国工厂将成为世界上最大的同位素生产厂，投入使用后每年能够生产约2000万剂钼99。

皮尔弗解释道：“对于第一代技术，我将其描述为粒子束固体靶。当前一代是粒子束气体靶聚变装置。我们的DT聚变装置不会产生很大的功率，可能是150 W，是一个非常明亮的中子源。满负荷运行时，应该能够产生数千万美元的收入——中子比电更有价值。”

正如他所说：“聚变并不全是天上掉馅饼，我们已经利用它及其分支创造了价值。”

成像技术是几年前作为SHINE公司的第一代业务开发，在其姊妹公司“凤凰中子成像”(Phoenix Neutron Imaging)的领导下运营，该公司现在正进入所谓的第二阶段。

同样依赖于聚变产生的中子，但它们的强度更大，被用来驱动同位素的生产过程。

“在第一阶段，我们能够产生足够的中子来拍照，但实际上产量仍不算足，很难转化为其他物质。我们需要增加足够的聚变输出，以便从第一阶段进入第二阶段，这样我们就可以开始产生少量其他物质——嬗变。特别是，我们正在研究将不太有价值的元素转化为极端稀缺的价值元素。”皮尔弗说。

神秘的贱金属转化为黄金的炼金术早已被超越。

皮尔弗说：“我们可以把时间花在把铅变成黄金上，但事实证明，这样做的成本要比黄金贵得多，但也有一些超有价值的材料值得我们去做。例如，我们可以把每克6美元的铀变成每克价值约1.5亿美元的钼-99。这种材料的价值在于，它最终会衰变成锝-99m，可以注射到人体内以检测疾病。实际上，用这种单一同位素进行了大约30种不同的诊断测试。”

技术人员在生产Mo-99的热室中使用机械手(图片：Laurentis)

认识到钼-99的惊人价值，SHINE公司于2019年破土动工建设了一个新的生产设施。

他说：“我们在美国建造了一个大型生产设施。这将是世界上最大的同位素生产设施，每年能够生产约2000万剂钼-99——2000万剂约为2克。”

皮尔弗指出：“我们正在使用中子来改变物质，但规模相当小。”

加拿大布鲁斯核电站的镥-177生产系统(图源：Bruce Power)

他补充道，从长远来看，该公司的目标是使用聚变中子来生产其他治疗同位素，如通过照射镱-176产生镥-177。

他说：“镥-177对癌症治疗非常有用。现在每克价值10至20亿美元。”

4、气体靶源和核废料处理

SHINE公司宣布，其欧洲子公司SHINE Europe已获得资金，开始在荷兰设计先进的医用同位素生产设施。

为了提高从聚变到射线照相应用，再到嬗变的中子生产，需要从固体靶源转换为气体靶源。

皮尔弗说：“现在，我们在同位素工厂和无损检测业务中的辐射效应测试中，都使用气体靶源。我们可以用固体靶源进行射线照相，但通过气体靶源发挥作用是使我们能够扩展到嬗变同位素生产的关键创新。与固体靶源相比，用气体靶每单位功率可以获得大约10倍的中子。”

他补充道：“更高强度的中子也会使成像过程变得更好，可以使用更高的功率密度，而且效率更高。”

嬗变的过程也为公司的第三阶段发展打开了大门。

皮尔弗解释说，作为嬗变过程的一部分，目标在聚变中子场中照射约5.5天。

“这是一个含水的目标——溶解在液体中的铀盐。”他说。

随后进行了一系列放射化学分离，从辐照后的铀溶液中提取医学纯同位素。

同位素分离技术有望在核废料管理中产生价值。

他说：“我们非常擅长处理高放射性铀流，并从中选择性地分离出有价值的材料用于医疗业务，事实证明，这些都是我们第三阶段所需的技能。这是我们聚变之旅的下一个规模，但我们首先想做的是回收发电厂的核废料。”

他补充道：“要回收核废料，需要将氧化铀溶解，并分离出包括钚在内的高价值材料，还有贵金属和其他可以出售的同位素。所有这些东西看起来都和我们在同位素工厂所做的完全一样，只是规模更大。”

皮尔弗认为，这样的工艺可以去除约96%的废物流，这些废物流可以回收并用作新燃料。

然而，它也与聚变衍生的中子通量联系在一起，以产生商业价值。

皮尔弗解释道：“聚变是在这一过程的最后端出现的。大约96%的铀废物流是可回收的或有价值的，但有一小部分，约0.1%的废物流由真正长寿命的同位素组成，这些同位素没有价值，目前也没有处理途径。”

“就像我们在第二阶段通过嬗变将低价值材料转化为高价值材料一样，我们相信我们可以使用聚变来获取这些长寿命同位素，使其成为短命同位素，从而解决长寿命核废料的问题。我发现从社会学的角度来看，这是非常有价值的，因为核能面临的最大挑战之一是核废料问题。”

5、发展时间表

General Fusion对其未来工厂的愿景(图片：General Fusion)

SHINE的CEO认为，扩大聚变装置的规模，使其能够处理核废物管理过程，也是商业聚变能源道路上的重要一步。

“这是我们聚变战略中的下一个目标，其中的聚变部分很酷，因为在你开始以废物规模转化材料的阶段，从物理学的角度来看，开始看起来像一个聚变发电厂。聚变能和这种转化过程之间的区别是，实际上仍然会在转化部分获得更多的收益。每个反应可能比你产生能量多10到15倍。”

皮尔弗概述了分阶段的时间表：“所有这些都是我们现在开始投资的东西。第一阶段现在正以每年50%以上的速度快速增长。我们认为它将持续一段时间，而且是有利可图的。”

“从长远来看，第二阶段，我们将在2024年左右使用我们的聚变设施生产镥-177，并生产更多的钼、碘和氙。现在，我们正在使用裂变反应堆中子，我们正在使用我们的化学处理专业知识和我们开发的其他技术，以使我们更具有竞争优势。”

“第三阶段，我们认为试验工厂可能需要五到六年的时间。”

2022年《全球聚变产业报告》称，过去一年，私营核聚变公司的投资达28.3亿美元。

他最后评论了商业聚变的发展：“我们试图做的是继续开发新技术，使聚变变得越来越高效。随着技术的进步，我们将在制造聚变设备方面做得越来越好，但我们将始终保持商业思维，始终努力制造产品。这是我们心中最重要的一点，我们不是在试图证明物理学，我们是在制造产品。我们称之为‘今天的聚变公司’，是因为我们今天确实在做这件事，并用它创造价值。”

在反思聚变能的挑战时，皮尔弗认为：“大多数投资聚变的人都试图直接投资于能源——需要投资这么多钱才能买到一台可能工作的机器，我说可能工作，是因为我认为目前还没有一台被证明是切实可行的。”

“这有点像史蒂夫·乔布斯在车库里开始制造电脑时说，‘我将在第一天开始制造iPhone’，后来他们也确实制造出了一种有价值的产品。”

通过使用聚变来观察其方向，我们可能会看到未来的能源iPhone。