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SHINE技术公司的核聚变技术商业化之路

已有 2308 次阅读 2024-7-20 07:25 |个人分类:自然科学|系统分类:海外观察

美国SHINE技术公司的核聚变技术商业化

今天的核能主要建立在核裂变技术上，但更完美的核技术也是最自然的核技术是核聚变，这是模仿太阳等恒星时刻都在发生的宇宙最普遍的过程，但人类距离完全掌握这种技术仍然需要很多探索，主要是能量产生无法弥补能量消耗。但核聚变不仅产生能量，也是产生中子的理想工具，中子在核技术中应用价值巨大。有心的企业家Greg Piefer抓住这个契机，创立了创业公司，并取得了成功。

Shine Technologies LLC创立于2005年，总部位于美国威斯康辛州Janesville，SHINE Technologies 是一种聚变技术，可检查工业部件、生产医用同位素和回收核能。公司正在部署和扩展聚变技术，比如通过中子成像检查工业部件和生产抗癌药物。SHINE Technologies，其中“SHINE”最初是“Subcritical Hybrid Intense Neutron Emitter”（亚临界混合强中子发射体）的缩写，以前称为 SHINE Medical Technologies，是一家总部位于威斯康星州简斯维尔的私营公司。

这里《科学》杂志上SHINE公司CEO Greg Piefer的故事。

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威斯康星州简斯维尔。在某种方式上，Greg Piefer和许多其他聚变研究人员一样思考。自从他在离这里不远的威斯康星大学麦迪逊分校（UW）读核工程研究生起，他就梦想着实现通过核聚变产生丰富的清洁能源，即两个轻原子核合并成一个更重的核并释放能量的过程——这与太阳产生能量所依赖的物理原理相同。在另一个方面，作为SHINE技术公司的创始人兼首席执行官，Piefer在他的同行中脱颖而出：他现在已经开始从聚变中赚钱了。

大多数聚变方法试图将氢的重同位素——氘和氚——结合在一起，以产生氦和一个高能中子。发电需要从中子中提取能量，而到目前为止，还没有一个聚变反应堆产生的能量超过了它的消耗。然而，18年前，Piefer意识到聚变已经能够产生足够多的中子，使它们本身变得有市场价值。“我们正在销售聚变，”Piefer说。“只是我们认识到每个反应的价值最高在于中子而不是能量。”

Piefer的办公室俯瞰着南威斯康星州的一片平坦风景。远处矗立着1号建筑，一座仓库般的建筑物，里面存放着SHINE标志性技术的一个例子。在里面，被混凝土块遮挡着的是一台4米高的设备，看上去像是某种农业机械。实际上，它是一个中子源。顶部的小型粒子加速器将氘离子或氘核向下驱动到氚气体中，创造聚变和每秒50万亿个中子，比其他任何基于聚变的中子源多20倍。

通过销售中子，Piefer打算资助实现他最终目标——聚变能源的四步计划。第一步是使用较简单的中子源来对金属机械部件的内部进行成像，正如SHINE的前身凤凰公司在十年前开始做的那样。在更有利可图的第二步中，SHINE现在寻求使用比1号建筑中的还要复杂的中子源来生成医用同位素——短暂的放射性核，可以用来成像组织或烧掉肿瘤。一旦SHINE在这个价值数十亿美元的市场上取得成功，Piefer设想使用其技术将核反应堆的废燃料转化为较不危险的元素。最后，从现在起十年或更久以后，将实现聚变能源。

在每一步中，SHINE的研究人员都将不得不提高聚变反应的速率。商业策略是利用聚变本身来满足商业需求，Piefer说，而不是像一些其他聚变公司那样销售电源、磁铁和其他辅助技术。“有必要围绕规模化聚变建立一个完整产业，以使其成本具有竞争力，”Piefer说。“这就是我的目标。”

SHINE已经在生产一种杀癌同位素——镥-177，尽管还没有使用它自己尚未完成的中子源。距离1号建筑一箭之遥的一个闪亮工厂将容纳这些机器，但目前只完成了80%。SHINE目前将前体材料运送到别处的核反应堆用中子辐照。尽管如此，SHINE官员预计很快就会主宰新兴的镥-177市场，因为该公司已经能够每年生产10万剂。“我们很快就会成为北美最大的供应商，”SHINE的供应链经理Dave Gelander说。

这样的进步使一些人对SHINE持乐观态度，该公司已筹集了7亿美元资金，并雇佣了近300名员工。“这不仅仅是纸面上的练习，”麻省理工学院物理学家、为SHINE提供咨询的小组负责人David Moncton说。“我相当乐观地认为这家公司很快就会在财务上实现自给自足。”

SHINE并不保证能在竞争激烈的医用同位素市场中取得成功。但就目前而言，这里似乎是一个令人兴奋的工作场所。1号建筑给人一种像车库一样温馨、略显凌乱的感觉，是那种工程师们下班后可能还会逗留的地方。“我经常把这个地方形容为加了激素的研究生院，”SHINE的首席技术官Ross Radel说。

然而，SHINE在旁边组装的设施散发出一种不同的气息，那是大企业的气息。讽刺的是，商业成功可能会威胁到Piefer的最终目标，产生压力让SHINE放弃聚变能源的梦想，只专注于制造同位素和赚钱。

SHINE技术背后的关键想法是在Piefer完成博士学位后不久于2006年——在自己家的一个派对上闪现的。当客人享受乐趣时，他开始探索这个想法。“每个人都在喝酒，所以我就拿起笔记本电脑去工作了，”他说。

Piefer一直在思考他的博士研究中的一个问题。他一直在一个被称为惯性静电约束聚变的古老方案中探索，其中一小球的带负电的电极位于一大球的带正电的电极中心。注入氘气并将电压提高到200千伏，电场将剥离一些原子上的电子以产生氘核，并将它们加速向装置的中心。在那里，它们应该发生碰撞并融合。

只是效果很差。确实发生了一些聚变，但主要是当涌入的离子与残留在室内的氘分子相撞时发生的，Piefer回忆说。随着残余气体量的增加，碰撞率会上升。但气体也减慢了离子的速度，减少了碰撞导致聚变的机会。“我意识到我们正在进行极其低效的聚变，”Piefer说。

在他的朋友们聚会时，他找到了一个大幅提高聚变率的方法：将离子加速与气体分子的碰撞分开。Piefer迅速进行了一些计算，发现“在这里加速，在那里碰撞”的策略可以将聚变率提高多达100,000倍。他感到非常高兴。“我刚刚花了一个整个学术生涯追求聚变，却以为它没有用。突然之间，数学告诉我，‘实际上，你现在就可以将其工业化。’”

Piefer立即开始思考如何使这个方案变得有用。他归功于他的论文导师Gerald Kulcinski强调近期应用的重要性。Kulcinski从1971年到2014年负责运行UW现已不存在的聚变技术研究所，他认为Piefer天生务实。“他不是一个典型的好学生，好学生是对某种现象提出一些理论推导感兴趣，”Kulcinski说。“他更感兴趣的是你能拿它做什么。”

此前一年（2005），Piefer已经进入商界，当时他创立了一家名为Phoenix的公司，探索使用来自聚变的中子来寻找地雷。现在，当他看到了一种产生更多中子的方法时，他转向了中子成像，这通常是在小型反应堆中完成的。X射线无法穿透金属部件，因为金属的自由流动电子会阻挡它们。然而，中子可以穿过电子并从核中弹跳出来。它们可以探测诸如喷气发动机的涡轮叶片之类的部件以揭示缺陷，或探明物体的元素组成。

2014年，Phoenix将其首批成像源出售给一家英国公司，该公司制造用于监测核反应堆的系统。这些装置向一个掺有氘的固体靶发射氘核束。2018年，Phoenix与GE Hitachi Nuclear Energy签订了一项协议，以测试核燃料棒确保它们含有正确的可裂变铀-235与惰性铀-238的比例，此举是在GE Hitachi决定关闭北美唯一一座商业成像反应堆之后采取的。SHINE在威斯康星州附近的菲奇堡的一个设施提供成像服务，客户包括美国军方。

即便这项业务正在萌芽，Piefer已经在计划下一步。2009年，国家研究委员会和能源部（DOE）的一个咨询小组的报告都警告说，美国的医用放射性同位素供应不稳定。他们特别强调了钼-99（moly-99），这是最常用的医用同位素，用于观察如心脏等器官。（在医院，钼-99衰变成短寿命的锝-99m。医生注射锝，并使用它发出的伽马射线来创建图像。）在美国，每天有40,000个程序依赖钼-99，它在其他国家的研究反应堆中制造。

两年前，当加拿大Chalk River实验室的反应堆长时间停运切断了世界三分之二的供应时，钼-99的价格曾飙升。由于制造钼-99的反应堆使用高度浓缩铀（HEU），通常为93%铀-235，以产生所需的高中子通量，美国已经开始寻找新来源。这些中子使另一个HEU塞中的铀核分裂以制造钼-99。因为HEU可以被制成炸弹，能源部的国家核安全局（NNSA）寻求在美国不使用HEU的情况下制造钼-99的方法。响应这一号召，Piefer于2010年从Phoenix分拆出SHINE，最终获得NNSA提供的总计8500万美元的资金。（SHINE是Subcritical Hybrid Intense Neutron Emitter的缩写，于2021年吸收了Phoenix。）

同位素的源泉

一旦完成，SHINE Technologies的同位素发生器将生产短寿命的医用同位素，如镥-177和钼-99。每台机器结合了粒子加速器、核聚变和核裂变的技术。加速器激发聚变反应，产生中子。这些中子使铀原子分裂，或裂变，以产生同位素。该公司已建造了一个工厂，容纳这八个技术。

核炼金术

SHINE的同位素发生器利用两种不同类型的核物理：一种用于产生中子，另一种用于将一种核转变为另一种。

⬤blue Neutron ⬤pink Proton

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l 核聚变产生中子

l 氘和氚的核融合会产生氦-4和一个高能中子。

l 核裂变产生同位素

l 来自聚变的中子使铀-235原子分裂，产生所需的同位素，如钼-99。

为了制造钼-99和其他同位素，SHINE的研究人员不得不增强他们的中子源。为了产生更多、更高能量的中子，他们用氚气替换了固体氘靶，这需要特别处理，因为氚是放射性的。更棘手的是，没有任何物理屏障能够将加速器的真空室与包含气体的圆柱体分开，因为80毫安培的氘束无论如何都会在它上面烧出一个洞。相反，两者通过一个宽0.5厘米的收缩部分隔开，足够窄以防止气体泄漏到加速器中。泵捕捉到的少数逃逸分子会被回收到靶中。

同位素将在围绕靶的硫酸铀溶液中形成。由聚变产生的中子将使流体中的铀原子分裂，产生钼-99和其他可以通过筛选分离出来的同位素。简而言之，该装置将产生与反应堆核心相同的核碎片，而无需链式反应。2013年，SHINE向核管理委员会申请许可，建造一个容纳八个中子源的工厂以及一个较小的设施，用于处理它们将产生的同位素。

十年后，结果是几乎完成但空荡荡的占地5200平方米的工厂，SHINE称之为蝶蛹。在其传统的外壳内蹲着一个“核岛”，墙壁由60厘米厚的加固混凝土构成，足以承受喷气机或恐怖分子炸弹的冲击。

一个阳台俯瞰着八个深方形井，中子发生器将安置于此。这些发生器将以几天为周期运行，应该能够持续生产同位素。SHINE几乎拥有完成设备所需的所有部件，存储在附近的仓库中。然而，大流行和信贷市场的收紧减缓了进展，Piefer表示SHINE需要大约1亿美元来完成工厂。目前，蝶蛹看起来有点像罗马废墟，井口类似于某些古老巴西利卡的海湾。

然而，SHINE已经开始运输同位素。去年晚些时候，该公司开设了一个较小的设施，名为Cassiopeia。如果说蝶蛹还是一个尘土飞扬的建筑工地，那么附近的Cassiopeia就是一个繁忙的活动中心。在那里，穿着洁净室服装的技术员使用机器人操纵器伸入热室中处理和包装SHINE的首批产品：不是钼-99，而是镥-177。

SHINE更改计划有几个原因。首先，严重的钼-99短缺从未出现。尽管Chalk River反应堆在2018年关闭，但欧洲、澳大利亚和南非的其他反应堆提高了产量并协调了它们的维护计划，美国能源部同位素项目的主任Jehanne Gillo解释说。那些政府资助的反应堆还以低于生产成本的价格出售钼-99，多个消息来源说，这压低了价格并使得市场难以打入。

对于像SHINE这样的初创公司来说，镥-177更有利可图，可能正击中经济甜点。阿拉巴马大学伯明翰分校的放射化学家Suzanne Lapi说，它足够新，医疗市场还没有被锁定，但又足够老，医生们对它很熟悉。“我们知道如何处理镥，”她说。“一些较新的同位素可能更具冲击力，但我们仍在试图了解它们的化学性质或安全特性。”

一旦完成，SHINE Technologies的同位素发生器将生产短寿命的医用同位素，如镥-177和钼-99。每台机器结合了粒子加速器、核聚变和核裂变的技术。加速器激发聚变反应，产生中子。这些中子使铀原子分裂，产生同位素。该公司已建造了一个工厂，容纳这八个技术洋葱。

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SHINE技术公司的核聚变路线图

SHINE技术公司通过不断增加其标志性的基于聚变的中子源的亮度，打算遵循一个四步计划来发展聚变能源的同时赚钱。完成了第一步后，该公司已经开始了第二步，这一步更有利可图。

1. 对金属机械部件进行中子成像

2. 生产用于医疗用途的放射性同位素

3. 转化长寿命核废料

4. 聚变能源

镥-177用于一种称为治疗学的癌症治疗新方法。化学家设计了一种分子，它只与特定肿瘤细胞结合，但也可以连接到两种不同的同位素上。第一种必须是适合成像的，如镓-68。当与载体分子一起注射时，它使医生能够找到肿瘤。第二种必须能杀死肿瘤细胞，就像镥-177通过发射一个高能电子并在6.7天的半衰期内衰变一样。诺华公司已经销售了经食品和药物管理局（FDA）批准的用于前列腺癌和神经内分泌癌的镥-177治疗，许多临床试验正在测试其他用途。

镥-177可以通过用中子轰击镱-176同位素来制造，使其吸收一个中子。然后核子吐出一个电子，变成所需的同位素。由于其自身的中子源尚未准备好，SHINE将小瓶的镱-176送到密苏里大学研究反应堆进行处理。样本随后迅速运回SHINE，工作人员提取出镥-177。

重要的是，SHINE不是购买镱-176，而是利用其在粒子加速器方面的专业知识从天然镱中提取它。大多数镱-176来自俄罗斯，而乌克兰战争引发的紧张局势使得这一供应变得不稳定，Gillo说。“SHINE非常聪明地解决了进入那个市场的一个主要风险。”

SHINE已经获得了FDA批准，其镥-177可用于人体，SHINE的系统和治疗首席运营官杰西卡·吉菲说。公司拒绝讨论一剂的价格。但它必须与产品的物理大小完全不成比例，该产品以一滴盐酸溶液的形式装在一个小玻璃瓶中。“总是很有趣地说我们以毫升，有时是微升运送产品，”吉菲说。实际上，瓶子可能看起来是空的，她说。“看起来好像里面什么都没有。”

六月份，SHINE宣布了一项交易，将镥-177运送给Blue Earth Therapeutics，用于前列腺癌治疗的临床试验。Piefer说，SHINE明年应该开始盈利。这些收入应该有助于完成同位素工厂。然后SHINE应该能够依靠自己的中子制造钼-99和许多其他同位素——并产生更多利润来资助实现聚变能的剩余步骤。

但是SHINE真的能在同位素业务中成功吗？一些观察家说，如果钼-99的国际市场没有被政府补贴扭曲，该公司已经赚大了。“如果是公平竞争的环境，SHINE领先于所有人，”Piefer的论文顾问Kulcinski说。其他人说，自从SHINE确定了方向以来，经济风向已发生变化，可能会复杂化其计划。

Gillo说，替换研究反应堆的紧迫性已经减弱，因为大多数已经改用低浓缩铀运行，新的反应堆已经上线或正在筹备中。与此同时，对医用同位素激增的需求吸引了使用较不严格技术制造它们的小型公司，圣母大学的核物理学家Ani Aprahamian说。例如，与Aprahamian有关的AZIsotopes使用称为回旋加速器的加速器轰击核子并制造用于癌症治疗的锕-225。

SHINE甚至可能最终与一头直到现在还在沉睡的熊搏斗。电力公用事业传统上避免在电力反应堆生产同位素，这可能与稳定运行相冲突。然而，在2022年，为加拿大安大略省提供30%电力的Bruce Power在其位于Tiverton的八反应堆电厂安装了生产镥-177的系统。五月份，它宣布计划将产量翻倍。“坊间的说法是他们正在大量制造它，”Lapi说。

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目前，SHINE Technologies利用外部中子源生产镥-177，并已开始销售该同位素用于医疗用途。

如果没有别的，SHINE的聚变技术可能面临内部竞争：公司可能需要证明运行自己的同位素源比仅仅将材料送到反应堆更有利可图。

另一方面，如果SHINE大获成功，这种成功可能会破坏Piefer追求聚变能的计划，观察家们说。“医用同位素是致富的好方法，”Aprahamian指出。“特别是如果SHINE上市并且有一个董事会，人们会对他们施加很大压力”，让他们坚持利润丰厚的同位素业务。

一些研究人员对SHINE关于聚变能的具体计划感到好奇。“前三步和他们开发的技术相当令人印象深刻，”加州大学洛杉矶分校的聚变物理学家Troy Carter说。“我不知道他们对第四步的概念是什么。”

Piefer说，这种模糊性是有目的的。SHINE的开发者对未来的步骤有明确的想法，他说。为了产生足够的中子来转化乏核燃料，他们将不得不替换他们的发电机的气态目标为电离氚等离子体。但对于一个聚变电厂，Piefer说他没有具体的设计。

Piefer说，太多物理问题仍然是未知的。因此，与一些聚变公司不同，SHINE不是在努力实现特定的反应堆设计，而是打算获得选择正确设计所需的知识和技能，当时机成熟时。“我们不把我们的公司视为一种技术，”他说。“我们认为它是一组能力。”

但这些能力能否在SHINE似乎即将成为的公司继续增长？据所有报道，SHINE（就像之前的凤凰一样）一直是一个尝试性的组织，年轻研究人员从一个项目跳到另一个项目。“我们得以参与一切工作，”SHINE研发副总裁Eli Moll说，他在2013年加入，那时他还在UW读研究生一年级。

现在公司正在运送产品，SHINE的领导层说，已经有意识地向稳定运营转变。“最终，你为什么要有一家公司？”SHINE运营副总裁Tim Reuter问道。“你必须有一种产品，有人愿意给予某种价值。这真的是你必须集中精力的地方。”

Moll说，SHINE的领导层正努力维持研发和运营之间的平衡。不过，如果你赚了很多钱，谁还有时间去追逐梦想呢？

关于该公司的其他网络相关资料

Shine Technologies商业模式

在2009年，钼-99（Mo-99）的供应短缺，Mo-99是用于30多种医学成像程序的锝-99m的前体，这是由于荷兰的一对研究反应堆因维护而停机，迫使医生使用更危险的同位素。到2016年，全球最大的同位素供应商，一家加拿大研究反应堆，计划停机。2010年，美国能源部的一部分，国家核安全管理局（NNSA）开始资助一系列方法开发项目，旨在确保美国不会出现短缺问题，同时减少高浓缩铀的使用，降低核扩散的风险。