美能源部宣布為八家企業(yè)提供資助助力未來(lái)十年建成聚變示范電廠

美國(guó)能源部2023年5月31日宣布資助八家聚變技術(shù)開(kāi)發(fā)商總計(jì)4600萬(wàn)美元，幫助這些企業(yè)在未來(lái)18個(gè)月內(nèi)完成聚變?cè)囼?yàn)電廠預(yù)概念設(shè)計(jì)并制定技術(shù)路線圖。這是拜登政府向未來(lái)十年建成聚變示范電廠、實(shí)現(xiàn)聚變能中等規(guī)模示范邁出的重要一步。這些開(kāi)發(fā)商是美能源部在“基于里程碑的聚變研發(fā)計(jì)劃”下給予資助的首批企業(yè)。

1 美高度重視聚變能商業(yè)化

美國(guó)政府十分重視聚變能發(fā)展，認(rèn)為未來(lái)十年是聚變能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵期，并積極采取行動(dòng)加速推進(jìn)這一進(jìn)程。美白宮科技政策辦公室和能源部2022年3月舉辦首屆聚變能峰會(huì)，宣布將牽頭制定聚變能發(fā)展戰(zhàn)略，目標(biāo)是推動(dòng)各方加強(qiáng)合作，形成合力，共同推進(jìn)聚變能商業(yè)化進(jìn)程。美能源部2022年6月組織召開(kāi)聚變能研討會(huì)，就制定發(fā)展戰(zhàn)略展開(kāi)研討。美能源部在2024財(cái)年預(yù)算申請(qǐng)中為“聚變能科學(xué)”提供了10.1億美元，同比增加32.4%，是有史以來(lái)最高金額。美核管會(huì)2023年4月宣布將基于“副產(chǎn)物設(shè)施”框架對(duì)聚變?cè)O(shè)施實(shí)施監(jiān)管，降低聚變技術(shù)發(fā)展在監(jiān)管方面的不確定性（詳見(jiàn)本刊2023年第5期相關(guān)報(bào)道）。

美能源部2022 年11 月啟動(dòng)“基于里程碑的聚變研發(fā)計(jì)劃”資助申請(qǐng)程序，并于2023 年5 月宣布下述八家企業(yè)將獲得總計(jì)4600萬(wàn)美元資助：聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司（CSF）、托卡馬克能源公司（Tokamak Energy）、Type One 能源集團(tuán)公司（Type One Energy Group）、普林斯頓仿星器公司（Princeton Stellarators）、聚焦能源公司（Focused Energy）、Xcimer 能源公司（Xcimer Energy）、Zap能源公司（Zap Energy）和Realta聚變公司（Realta Fusion）。這些企業(yè)將利用磁體技術(shù)、激光器技術(shù)等其他領(lǐng)域的最新研究成果，推進(jìn)托卡馬克、仿星器、激光慣性約束、磁鏡和Z箍縮等聚變技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。

2 開(kāi)發(fā)商概況

2.1 兩家強(qiáng)場(chǎng)托卡馬克技術(shù)開(kāi)發(fā)商

聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司和托卡馬克能源公司均為托卡馬克技術(shù)開(kāi)發(fā)商。托卡馬克技術(shù)概念最初由蘇聯(lián)時(shí)期的庫(kù)爾恰托夫研究所研究人員在20世紀(jì)50年代提出。托卡馬克裝置是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器：使用環(huán)向磁場(chǎng)與等離子體電流產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)合成的一種具有磁力線旋轉(zhuǎn)變換和磁面結(jié)構(gòu)嵌套特征的磁場(chǎng)位形，用來(lái)約束軸對(duì)稱環(huán)形高溫等離子體。一般而言，托卡馬克裝置聚變功率與磁場(chǎng)強(qiáng)度的四次方成正比，即磁場(chǎng)強(qiáng)度增加1倍，聚變功率可提升16倍：對(duì)于某一聚變裝置，提高磁場(chǎng)強(qiáng)度可以大幅提高裝置功率；如果要建設(shè)某一功率的聚變裝置，提高磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠大幅縮小聚變裝置的體積。因此，兩家開(kāi)發(fā)商均準(zhǔn)備利用高溫超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，推進(jìn)托卡馬克技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用。

表1 美國(guó)能源部給予資助的八家聚變技術(shù)研發(fā)企業(yè)

2.1.1 聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司

聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司2018年成立，派生于麻省理工學(xué)院，致力于開(kāi)展強(qiáng)磁場(chǎng)托卡馬克技術(shù)研究，迄今已募集超過(guò)20億美元資金。該公司2021年9月聯(lián)合宣布，已將大型高溫超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度提升至20特斯拉，這是全球同類磁體創(chuàng)造的最強(qiáng)磁場(chǎng)，為建設(shè)強(qiáng)磁場(chǎng)托卡馬克聚變能示范電廠奠定了基礎(chǔ)。

聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司正在建設(shè)一座名為SPARC的聚變示范裝置。這是一座緊湊的強(qiáng)磁場(chǎng)聚變裝置，大半徑1.85米，小半徑0.57米，環(huán)形磁場(chǎng)強(qiáng)度12特斯拉，等離子體電流強(qiáng)度8.7兆安培，2021年啟動(dòng)建設(shè)，計(jì)劃于2025年實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆妗Ｔ摴居?jì)劃于2025年啟動(dòng)首座聚變?cè)囼?yàn)電廠ARC的建設(shè)。

2.1.2 托卡馬克能源公司

托卡馬克能源公司是一家英國(guó)公司，2009年成立，派生于卡勒姆實(shí)驗(yàn)室，迄今已募集超過(guò)1.2億美元資金，致力于開(kāi)展球形托卡馬克研究。在同一磁場(chǎng)強(qiáng)度下，球形托卡馬克裝置產(chǎn)生的等離子體壓強(qiáng)比傳統(tǒng)托卡馬克裝置高得多，即球形托卡馬克的效率更高。

2022年3月托卡馬克能源公司宣布，其聚變研究裝置ST40已實(shí)現(xiàn)1億℃等離子體溫度。這是太陽(yáng)中心溫度的7倍，是實(shí)現(xiàn)氘氚受控核聚變必須達(dá)到的溫度。這是球形托卡馬克裝置首次實(shí)現(xiàn)該重要里程碑，也是全球首次由私營(yíng)企業(yè)投資的聚變?cè)O(shè)施實(shí)現(xiàn)。該公司計(jì)劃在英國(guó)卡勒姆園區(qū)建設(shè)一座原型聚變堆ST80-HTS。這將是全球第一座大規(guī)模使用高溫超導(dǎo)磁體的強(qiáng)場(chǎng)球形托卡馬克裝置，2026年建成后將示范球形托卡馬克的關(guān)鍵運(yùn)行優(yōu)勢(shì)，并為聚變示范電廠ST-E1的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵信息。ST-E1擬于21世紀(jì)30年代初并網(wǎng)發(fā)電，凈裝機(jī)容量可能高達(dá)20萬(wàn)千瓦。

2.2 兩家仿星器技術(shù)開(kāi)發(fā)商

Type One能源集團(tuán)公司和普林斯頓仿星器公司均聚焦于仿星器技術(shù)研發(fā)。仿星器技術(shù)由美國(guó)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員在20世紀(jì)50年代首次提出，是一種利用外部線圈產(chǎn)生的非軸對(duì)稱磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體的環(huán)形聚變裝置。

2.2.1 Type One能源集團(tuán)公司

Type One能源集團(tuán)公司2019年成立，由多名仿星器研究領(lǐng)域的知名科學(xué)家和在推進(jìn)能源技術(shù)商業(yè)化方面擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的資深商業(yè)領(lǐng)袖聯(lián)合組建，2023年3月完成總額超過(guò)2900萬(wàn)美元的種子輪融資。該公司將充分利用高溫超導(dǎo)磁體和增材制造領(lǐng)域的最新研究成果，推進(jìn)仿星器聚變技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

2.2.2 普林斯頓仿星器公司

普林斯頓仿星器公司2022年成立，派生于普林斯頓大學(xué)和普林斯頓等離體子物理實(shí)驗(yàn)室，其主要技術(shù)特點(diǎn)是使用平面磁體陣列，消除其他仿星器技術(shù)所需的極為復(fù)雜的三維磁場(chǎng)線圈，因此能夠大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并降低造價(jià)。近期高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)突破有助于加速推進(jìn)該公司技術(shù)商業(yè)化。

2.3 兩家激光慣性約束技術(shù)開(kāi)發(fā)商

聚焦能源公司和Xcimer能源公司正在推進(jìn)激光慣性約束技術(shù)商業(yè)化。激光慣性約束技術(shù)直接利用激光或者利用激光產(chǎn)生的X射線作為驅(qū)動(dòng)源，均勻地作用于裝填氘氚燃料的微型球狀靶丸外殼表面，燒蝕形成向外膨脹的高溫高壓等離子體，利用反沖壓力，使靶的外殼極快向心運(yùn)動(dòng)，壓縮氘氚主燃料層到每立方厘米幾百克質(zhì)量的極高密度，并使局部氘氚區(qū)域形成高溫高密度熱斑，從而達(dá)到聚變點(diǎn)火條件。美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室國(guó)家點(diǎn)火裝置在2022年12月5日的實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)聚變產(chǎn)能大于驅(qū)動(dòng)聚變反應(yīng)發(fā)生的激光能量這一“點(diǎn)火”里程碑：激光器給燃料靶丸輸入了2.05兆焦能量，產(chǎn)生了3.15兆焦的聚變能量。這是人類首次在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆娴目煽睾司圩儭?/p>

2.3.1 聚焦能源公司

聚焦能源公司是一家派生于德國(guó)達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的美德合資企業(yè)，2021年成立，在2021年種子輪融資中募集1500萬(wàn)美元。該公司技術(shù)的主要特點(diǎn)是將直接驅(qū)動(dòng)激光燃料壓縮和質(zhì)子快速點(diǎn)火結(jié)合在一起。該公司已在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模完成多項(xiàng)技術(shù)研發(fā)，包括激光放大器、靶定位機(jī)器人和新型診斷技術(shù)。

在2022年秋實(shí)驗(yàn)中，位于布拉格的超強(qiáng)光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施（ELI）激光中心首次使用聚焦能源公司的激光技術(shù)獲得可供開(kāi)展聚變研究的高重頻等離子體。這意味著聚焦能源公司在聚變能商業(yè)化道路上取得里程碑式進(jìn)展。該公司正在與多家企業(yè)合作，積極推進(jìn)相關(guān)研發(fā)，目標(biāo)是2030年前后建設(shè)一座試驗(yàn)電廠，示范使用激光點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)堆的可行性。

2.3.2 Xcimer能源公司

Xcimer能源公司成立于2021年，此次獲得了能源部900萬(wàn)美元資助。該公司技術(shù)擁有兩個(gè)特點(diǎn)。一是使用千萬(wàn)焦耳級(jí)KrF準(zhǔn)分子激光器，能夠以比美國(guó)家點(diǎn)火裝置低幾個(gè)數(shù)量級(jí)的成本、提供多達(dá)10倍的能量。通過(guò)與其他領(lǐng)域的最新技術(shù)結(jié)合，這種激光器能消除傳統(tǒng)慣性約束聚變技術(shù)存在的不足。二是使用由勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)、并經(jīng)過(guò)充分研究的HYLIFE腔室設(shè)計(jì)。這一設(shè)計(jì)使用鋰鹽溶液（FliBe）完全覆蓋第一壁，在吸收聚變反應(yīng)能量的同時(shí)保護(hù)第一壁，使第一壁能夠持續(xù)運(yùn)行40年。

2.4 一家Z箍縮技術(shù)開(kāi)發(fā)商

Zap能源公司是一家Z箍縮技術(shù)開(kāi)發(fā)商。Z箍縮裝置利用強(qiáng)大磁場(chǎng)約束和箍縮等離子體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)核聚變。Z箍縮理論模型誕生于20世紀(jì)30年代，但其等離子體一直面臨“嚴(yán)重不穩(wěn)定性”困擾。20世紀(jì)90年代，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和華盛頓大學(xué)研究人員合作提出了“剪切流穩(wěn)定Z箍縮”概念。與需要使用大型強(qiáng)磁體的其他Z箍縮裝置不同，“剪切流穩(wěn)定Z箍縮”裝置使用脈沖電流產(chǎn)生環(huán)繞等離子體柱的磁場(chǎng)來(lái)約束、箍縮和加熱等離子體，能夠降低不穩(wěn)定性。由于不需要使用大型磁體，該技術(shù)適于建設(shè)可以放在車庫(kù)里的小型聚變堆。

Zap能源公司2017年成立，派生于華盛頓大學(xué)，致力于推進(jìn)“剪切流穩(wěn)定Z箍縮”技術(shù)商業(yè)化，研究工作在2022年5月取得里程碑式進(jìn)展：其研究裝置FuZE-Q首次創(chuàng)造了等離子體。該公司此次獲得能源部500萬(wàn)美元資助，迄今已籌集超過(guò)2億美元資金。

2.5 一家磁鏡技術(shù)開(kāi)發(fā)商

Realta 聚變公司致力于推進(jìn)磁鏡技術(shù)商業(yè)化。磁鏡是一種中間弱、兩端強(qiáng)的特殊的磁場(chǎng)位形。在可控核聚變裝置中，可利用磁鏡約束高溫等離子氣體。

Realta聚變公司2022年秋成立，派生于威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，迄今已募集1200萬(wàn)美元資金，包括美能源部通過(guò)“基于里程碑的聚變研發(fā)計(jì)劃”提供的300萬(wàn)美元資金。該公司致力于開(kāi)展緊湊型磁鏡聚變技術(shù)研究，其主要技術(shù)特點(diǎn)是將磁鏡聚變方案的穩(wěn)定性和約束優(yōu)勢(shì)與創(chuàng)新的等離子體加熱技術(shù)和強(qiáng)場(chǎng)超導(dǎo)技術(shù)結(jié)合在一起。

3 結(jié)語(yǔ)

聚變能具有燃料豐富、清潔、安全性高、能量密度大等突出優(yōu)點(diǎn)，被視為終極能源，能夠幫助人類社會(huì)解決能源問(wèn)題、助力可持續(xù)發(fā)展。美國(guó)政府將聚變技術(shù)視為一項(xiàng)能夠改變能源領(lǐng)域游戲規(guī)則的技術(shù)，有助于美實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放目標(biāo)。因此，美政府正在團(tuán)結(jié)領(lǐng)導(dǎo)各方力量，推動(dòng)聚變能商業(yè)化，幫助相關(guān)企業(yè)在未來(lái)十年建成聚變示范電廠。