核能的未来:百花齐放

1956年夏天,少数几个人聚集在圣地亚哥一所废弃的红色小学校舍里。这些人是他们那一代最富有想象力的科学家和工程师。

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


1956年夏天,少数几个人聚集在圣地亚哥一所废弃的红色小学校舍里。这些人是他们那一代最富有想象力的科学家和工程师。他们中有领导者弗雷德里克·德·霍夫曼,他曾参与曼哈顿计划,现在是通用原子公司的总裁。霍夫曼不仅是一位富有创造力的物理学家,还是一位异常精明能干的管理者和企业家;在他晚年,他将著名的索尔克研究所带到了新的高度。还有弗里曼·戴森,一位来自普林斯顿高等研究院、才华横溢的数学物理学家,他曾调和了量子电动力学的不同理论——关于光和物质的奇怪理论。还有爱德华·泰勒,另一位曼哈顿计划的退伍军人;一位黑暗、易怒而又才华横溢的物理学家,他深信核武器的力量可以拯救世界,以至于他激发了斯坦利·库布里克经典电影《奇爱博士》中疯狂科学家的漫画形象。

这些人及其同事共同致力于一个目标:创造一种本质安全的核反应堆,即使面对人为的愚蠢和愚昧,它也会停止其核转换。该反应堆的名字相当平淡,叫做 TRIGA(训练、研究、同位素、通用原子),但它的遗产绝非平淡无奇。反应堆成功的核心不是技术创新,而是开放的辩论和讨论氛围。每天,都会有人——主要是泰勒——提出十个想法,其中大多数听起来很疯狂。其他人——主要是戴森——会耐心地研究这些想法,抛弃其中的几个,从糟粕中提取精华,并赋予它们严谨的形式。

TRIGA 受益于最大限度的自由探索和个人创造力,以及最大限度的官僚干预。没有凌驾一切的管理机构来支配设计者的思想。每个人都可以自由地提出他们想到的任何想法,而小组其他成员的工作是完善这个想法,使其更严谨和实用,或者抛弃它,然后转向下一个想法。TRIGA 的制造者们与几十年后的硅谷计算机企业家们会很合得来。


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TRIGA 运行的核心是一个叫做热中子原理的原理。在传统的反应堆中,燃料中的中子由周围较冷的水中的氢来减速。如果有人拔出控制棒,则有很大的熔毁的可能性,因为保持冷却一段时间的水会继续减缓中子,并保持其引起裂变的能力。戴森和泰勒的想法是将一半的氢放在水中,另一半以铀和锆氢化物合金的形式放在燃料中。这将导致只有一半的氢保持足够的冷却以减缓中子,而氢化物中的另一半保持温暖,并降低中子裂变铀的能力。这导致燃料具有所谓的负温度系数。燃料棒由伊朗冶金学家马苏德·西姆纳德精心而精确地制作,他当时正在这个项目工作。

热中子原理是使 TRIGA 本质安全的原因,它不太可能发生熔毁或灾难性故障。工程师和技术人员用了不到三年的时间就将反应堆从设计阶段投入生产。第一座 TRIGA 由尼尔斯·玻尔在圣地亚哥落成。共建造了七十座这种安全的反应堆。它们足够安全和便宜,可以由医院和大学的学生操作,它们的主要功能是为科学和工程实验生产同位素。它们也足够坚固和安全,可以防止扩散。正如戴森在他的优雅回忆录《扰乱宇宙》中回忆的那样,TRIGA 也许是唯一为其创造者赚取利润的核反应堆。

TRIGA 使核电的开发看起来相对容易、便宜和快速。为什么其他反应堆没有取得同样的成功?为什么在五十年后,核电仍然在经济、政治和社会强烈反对面前挣扎?有很多原因,但主要原因很简单:TRIGA 的设计者被鼓励玩得开心,他们拥有创业公司中常见的自由探索。问题是,在 70 年代,核工业失去了乐趣,随之失去乐趣的还有创造力和成本考虑。戴森在他的书中迅速切入核心问题

“核工业的根本问题不是反应堆安全,不是废物处理,也不是核扩散的危险,尽管所有这些问题都是真实存在的。该行业的基本问题是,现在没有人再乐于建造反应堆了……在 1960 年到 1970 年之间的某个时候,这个行业的乐趣消失了。冒险家、实验者、发明家被赶走,会计师和管理者接管了控制权。会计师和管理者认为,让聪明人玩弄奇怪的反应堆并不划算。因此,奇怪的反应堆消失了,随之消失的还有对现有系统进行任何根本改进的机会。我们只剩下数量非常少的反应堆类型,每种类型都冻结在庞大的官僚机构中,每种类型在各种方面都技术上不令人满意,每种类型都比许多可能的替代设计不安全,这些替代设计已被抛弃。没有人再为了乐趣而建造反应堆了。红色小学校舍的精神已经死了。在我看来,这就是核电的症结所在。”

没有人再为了乐趣而建造反应堆了。戴森想要表达的非常简单。任何技术发展都有可能,该技术需要以达尔文式创新的燃料来驱动自身。它需要产生所有可能的想法——包括奇怪的想法——然后找出最好的,同时无情地淘汰最差的。这不仅提高了质量,还降低了成本,因为没有企业家会冒险将一种内在昂贵的技术引入市场。但是,除非你允许人们根据自己的意愿玩弄自己的想法,并乐在其中,否则所有这些都是不可能的。人们不会无私地通过法令来产生想法,只有当他们得到资金和基础设施的支持,但在其他方面可以自由发挥时,他们才会这样做。会计师和管理者需要启动这个过程,然后需要让开。

几乎每项成功的技术都经历了达尔文式的这个阶段。戴森举了他父亲那一代摩托车手的例子,他们精心而爱护地设计和维修摩托车。在我们这一代,最响亮的例子是计算机技术。我们已经记不清有多少版本的软件和硬件,年轻的计算机爱好者在加利福尼亚的车库里进行了实验,然后他们的技术和艺术敏感性以及市场的意愿挑选出了最好的版本。比尔·盖茨和史蒂夫·乔布斯都在一群年轻的新贵中发家致富,他们尝试最新的电子产品和代码,并与遍布全国的其他新贵竞争。就像红色小学校舍的核设计师一样,硅谷车库的计算机设计师也不受中央机构的要求的约束。创立 Genentech 和 Amgen 等公司的基因工程师也是如此。他们可以让自己的想象力自由驰骋,互相交流想法,并无情地驳倒笨拙、昂贵或炫耀的设计。正是年轻聪慧的人们尽情集思广益的能力,以及快速探索各种廉价技术解决方案的灵活初创公司的能力,才使得计算机技术成为当今无处不在的生命力。生物技术现在也准备这样做。类似的优胜劣汰的达尔文式过程渗透到其他成功的技术中,从飞行到汽车工程再到房屋建造。最重要的是,所有这些技术的创造者在创造它们时都乐在其中。

核电领域没有发生过这样的事情。这是一项技术的发展,它是由少数杰出的政府和军事官员以及大型组织主导的,并被限制在狭窄的范围内。大多数核技术开发人员都是稳重的、上了年纪的官僚,而不是像弗雷德里克·德·霍夫曼那样的年轻的偶像破坏者。海曼·里科弗海军上将发明的一种早期设计——适用于潜艇,但不太适合高效的陆基发电站——被冻结并应用于全国数百个反应堆。从那时起,只有大约一百个反应堆设计,只有大约六个突出的设计。由于包括公众偏执、缺乏规模经济、政治正确性和对辐射的误解等复杂因素,核技术从未有机会被玩弄,被委托给尝试想法的年轻企业家,通过达尔文进化的创造性和破坏性过程找到自己的道路,达到技术和经济效率的平台。结果是,该领域在科学上仍然狭隘且成本高昂。即使在今天,也只有少数几家公司在建造和运营世界上大多数反应堆。

为了重振核电为世界提供廉价能源和应对气候变化的希望,该领域需要注入与 TRIGA 设计团队和硅谷企业家相同的创业精神。尤其需要为那些充满想法的年轻人提供尽可能多的资源,让他们提出解决方案并在初创公司中探索这些解决方案,即使不是在车库里。就像任何其他技术一样,只有当最大数量的人运用他们的创造性思维来提高裂变能源的质量和成本时,核能才能蓬勃发展。幸运的是,少数公司及其创造者正在引领潮流。

我住在马萨诸塞州的剑桥,这里几十年来一直是创新的温床。沿着风景如画的查尔斯河,在几平方英里的范围内,实际上有数百家生物技术、制药和信息技术初创公司,其中大多数都得益于麻省理工学院和哈佛大学的地理位置优势,它们的实验室为潜在地转化为有用产品的想法提供了稳定的来源。这些初创公司中的科学家、工程师和管理者不断地相互竞争,并为最佳想法而竞争。我自己的初创公司基于一种利用 DNA 特定碱基配对特性来制造复杂药物的新颖方法。每年都有数十家初创公司倒闭,少数几家上市或被其他公司收购。剑桥的整个初创企业都受到达尔文式选择力量的支配,这使得最佳想法得以筛选出来。

这个企业的一个组成部分名为 Transatomic Power。它由麻省理工学院的两位研究生莱斯利·德万(Leslie Dewan)和马克·马西(Mark Massie)于 2010 年创立。 Transatomic Power 的目标是设计一种反应堆,可以利用核废料发电,从而同时解决清洁能源和核废料处理的双重问题。这种反应堆是一种熔盐反应堆,它依靠轻水反应堆中未裂变燃料中蕴藏的大量能量运行。它也足够紧凑,可以单独运送到反应堆现场。德万和马西是少数几位真正看到核领域机遇的年轻人,并且愿意冒险开发解决问题的新方法。

在美国西海岸的西雅图,还有另一支核企业家团队,由前微软首席技术官,拥有物理学和经济学学位的内森·梅尔沃德(Nathan Myhrvold)领导。梅尔沃德创立了一家名为Terrapower的公司,该公司采用一种名为行波反应堆(TWR)的新型核设计,该设计在 90 年代也曾被爱德华·泰勒(Edward Teller)和洛厄尔·伍德(Lowell Wood)探索过。TWR 是另一种可以利用废料运行的反应堆,它使用贫化铀来维持向外扩散到反应堆中的裂变波,将铀转化为钚,并留下少量的可裂变废料。TWR 有望运行数十年而无需重新装载燃料或回收乏燃料,从而保证安全性和防扩散性。TWR 的爱好者之一是比尔·盖茨,他对技术领域的达尔文式创新略知一二。

Terrapower 和 Transatomic 的创始人正在追随红色小学的梦想家的脚步。他们已经将核技术转变为一个由学术界、工业界和政府实验室之间健康的相互作用所维持的创意和资金的企业家游戏。我不知道他们的反应堆是否会在不久的将来为世界提供能源,但我所知道的是,他们正在做为了维持任何成功技术发展所必需的创造和破坏的创新过程所需要做的事情。他们正在打破大型官僚政府组织及其工业界同行所设定的趋势。最重要的是,他们乐在其中,交流想法并探索新的技术领域。我看到了这些核探险家的冒险中的希望,就像 TRIGA 的制造者看到了核电未来的希望,整个世界在 80 年代看到了计算机和生物技术探险家的希望一样。当涉及到核技术时,我们应该让百花齐放。然后我们可以选择最美丽的。

这篇文章首次发表在诺贝尔周对话网站上。

Ashutosh Jogalekar is a chemist interested in the history, philosophy and sociology of science. He is fascinated by the logic of scientific discovery and by the interaction of science with public sentiments and policy. He blogs at The Curious Wavefunction and can be reached at curiouswavefunction@gmail.com.

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