利用核聚變來發(fā)電是物理界長期以來的愿望。其中一家致力于實現(xiàn)這一目標的公司是英國的First Light Fusion(First Light)，該公司正在使用一種稱為“彈射聚變”的技術來創(chuàng)建一個簡單、低成本的慣性聚變發(fā)電廠。

First Light在去年證實其技術可以實現(xiàn)核聚變之后，現(xiàn)在正在開發(fā)一種凈能量增益演示裝置，稱為“4號機組”。在與西班牙工程公司IDOM合作優(yōu)化反應堆設計時，該團隊意識到，彈射聚變也可以用于生產(chǎn)各種受歡迎的醫(yī)用同位素。

慣性約束聚變是目前正在開發(fā)的兩種主要聚變技術之一，它的工作原理是壓縮一個含有氫同位素混合物的小型燃料靶丸。在足夠高的溫度和壓力下，靶丸中的氘和氚之間會發(fā)生核聚變反應。

美國國家點火裝置(NIF)去年12月首次展示了從聚變中獲得能量的方法：使用高功率激光來觸發(fā)核聚變，這也是最常見的慣性聚變技術。First Light正在開發(fā)一種不同的方法，即向目標發(fā)射高速且低成本的彈丸。目標內(nèi)的一個放大器將彈丸的能量集中起來，由此產(chǎn)生的沖擊波將燃料極限壓縮，獲得足夠高的溫度和密度，從而融合并釋放出能量脈沖。

聚變釋放的大部分能量是以高能中子的形式存在的。這些能量被排列在反應堆內(nèi)壁的液態(tài)鋰所吸收，然后可以提取熱量來發(fā)電。通過與液態(tài)鋰包層的反應，中子也被用來生成氚。

First Light的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO Nick Hawker解釋說:“雖然First Light反應堆的最初主要焦點是通過聚變產(chǎn)生電能，但該反應堆也生產(chǎn)氚，以便實現(xiàn)氚燃料的自給自足。氚被大多數(shù)其他聚變反應堆使用，而且供應短缺，所以我們開始改變設計，看看是否有可能生產(chǎn)過量的氚以滿足使用。在隨后的調(diào)查中，我們還意識到這些中子可能對同位素生產(chǎn)有用。”

受歡迎的同位素

放射性同位素在醫(yī)學中廣泛應用于診斷和治療。最常用的是Tc-99m，它是Mo-99的衰變產(chǎn)物。Tc-99m每年被用于數(shù)千萬個核醫(yī)學程序，包括用于診斷心臟病的心肌灌注成像，以及用于檢測和癌癥分期掃描。

目前，Mo-99通常是在幾個老化的核反應堆中利用裂變生產(chǎn)出來的，由于半衰期僅有幾天，所以無法儲存。因此，人們對生產(chǎn)Mo-99和其他醫(yī)用同位素的新方法的需求越來越大。一種方法是用高能中子轟擊穩(wěn)定元素的原子核，比如由First Light的反應堆產(chǎn)生的中子，使它們轉(zhuǎn)化為所需的放射性同位素。

Hawker解釋說，“核聚變產(chǎn)生的中子能量很高，通量也很高。這意味著以核聚變?yōu)橹凶釉吹耐凰厣a(chǎn)有很大的空間。理論上，我們可以制備出大量不同的同位素，包括Mo-99。"該團隊還研究了用于癌癥治療的同位素，包括Cu-67、Sm-153、Lu-177和Y-90。

中子誘導的反應依賴于能量，有些轉(zhuǎn)化需要高能中子。由于First Light的反應堆將產(chǎn)生高能量的14 MeV中子，公司可能受益于制造具有生產(chǎn)閾值反應能量的同位素。Hawker告訴《物理世界》:“雖然大多數(shù)同位素可以用高能中子轟擊得到，但我們必須找到具有成本競爭力或具有獨特優(yōu)勢的方法。”

Hawker指出，F(xiàn)irst Light最初未打算借此生產(chǎn)同位素，因為反應堆的液體包層使其難以在中子通量最高的那一面放置樣品。然而，該團隊現(xiàn)在已經(jīng)設計了一種方法來控制中子通過包層的路徑，允許中子穿透并集中在可以放置同位素產(chǎn)生成分的特定區(qū)域。

重要的是，這可以在不損害反應堆發(fā)電能力的情況下實現(xiàn)。Hawker解釋說:“我們可以有一個厚厚的覆蓋層來生產(chǎn)氚和電力，但也允許中子在一個聚焦區(qū)域(可以移動)產(chǎn)生同位素。“這意味著我們可以毫不妥協(xié)地解決這三個機會。”

First Light將繼續(xù)與IDOM密切合作，設計其反應堆室和開發(fā)4號機組，4號機組將被安置在英國原子能機構位于牛津郡的Culham校區(qū)的專用設施中。該工程預計于明年開始建設，計劃于2027年開始運營。Hawker說:“一旦該系統(tǒng)進行高通量沖擊試驗，這可能會給我們一個測試同位素生產(chǎn)的機會，來驗證該工作原理。”

First Light的終極目標是建造一座聚變發(fā)電廠，發(fā)電量約為150兆瓦，每30秒點火一次，成本不到10億美元。(由First Light Fusion提供)

經(jīng)過驗證的方法

First Light并不是唯一一家利用核聚變技術制造醫(yī)用同位素的公司。美國SHINE技術公司正在利用其核聚變技術生產(chǎn)治療性同位素镥-177 (Lu-177)。SHINE于2020年首次實現(xiàn)Lu-177的商業(yè)化銷售，并于近期在位于威斯康星州簡斯維爾的總部開設了北美最大的Lu-177生產(chǎn)設施。該公司目前還在建設一個核聚變驅(qū)動的醫(yī)用同位素生產(chǎn)設施Chrysalis，以生產(chǎn)Mo-99。

醫(yī)用同位素生產(chǎn)是SHINE為產(chǎn)生聚變能而制定的四階段路線圖的第二階段。SHINE的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Greg Piefer說:“放射性藥物療法的進步在延長患者的生命方面顯示出了巨大的效果，否則這些患者可能沒有選擇。我們很高興能在確保這些開創(chuàng)性療法更快地到達患者方面發(fā)揮重要作用，有可能每年挽救或延長數(shù)萬人的生命。”

Piefer對《物理世界》表示：“我們相信核聚變有潛力生產(chǎn)診斷和治療癌癥的同位素。我們自認為是這一愿景的先驅(qū)，很高興看到其他公司也有興趣開發(fā)解決方案，以減少市場對反應堆的依賴。”