美能源部宣布為八家企業提供資助助力未來十年建成聚變示范電廠

美國能源部2023年5月31日宣布資助八家聚變技術開發商總計4600萬美元，幫助這些企業在未來18個月內完成聚變試驗電廠預概念設計并制定技術路線圖。這是拜登政府向未來十年建成聚變示范電廠、實現聚變能中等規模示范邁出的重要一步。這些開發商是美能源部在“基于里程碑的聚變研發計劃”下給予資助的首批企業。

1 美高度重視聚變能商業化

美國政府十分重視聚變能發展，認為未來十年是聚變能實現商業化的關鍵期，并積極采取行動加速推進這一進程。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，宣布將牽頭制定聚變能發展戰略，目標是推動各方加強合作，形成合力，共同推進聚變能商業化進程。美能源部2022年6月組織召開聚變能研討會，就制定發展戰略展開研討。美能源部在2024財年預算申請中為“聚變能科學”提供了10.1億美元，同比增加32.4%，是有史以來最高金額。美核管會2023年4月宣布將基于“副產物設施”框架對聚變設施實施監管，降低聚變技術發展在監管方面的不確定性（詳見本刊2023年第5期相關報道）。

美能源部2022 年11 月啟動“基于里程碑的聚變研發計劃”資助申請程序，并于2023 年5 月宣布下述八家企業將獲得總計4600萬美元資助：聯邦聚變系統公司（CSF）、托卡馬克能源公司（Tokamak Energy）、Type One 能源集團公司（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）。這些企業將利用磁體技術、激光器技術等其他領域的最新研究成果，推進托卡馬克、仿星器、激光慣性約束、磁鏡和Z箍縮等聚變技術的商業化應用。

2 開發商概況

2.1 兩家強場托卡馬克技術開發商

聯邦聚變系統公司和托卡馬克能源公司均為托卡馬克技術開發商。托卡馬克技術概念最初由蘇聯時期的庫爾恰托夫研究所研究人員在20世紀50年代提出。托卡馬克裝置是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形容器：使用環向磁場與等離子體電流產生的極向磁場合成的一種具有磁力線旋轉變換和磁面結構嵌套特征的磁場位形，用來約束軸對稱環形高溫等離子體。一般而言，托卡馬克裝置聚變功率與磁場強度的四次方成正比，即磁場強度增加1倍，聚變功率可提升16倍：對于某一聚變裝置，提高磁場強度可以大幅提高裝置功率；如果要建設某一功率的聚變裝置，提高磁場強度能夠大幅縮小聚變裝置的體積。因此，兩家開發商均準備利用高溫超導磁體產生的強磁場，推進托卡馬克技術商業化應用。

表1 美國能源部給予資助的八家聚變技術研發企業

2.1.1 聯邦聚變系統公司

聯邦聚變系統公司2018年成立，派生于麻省理工學院，致力于開展強磁場托卡馬克技術研究，迄今已募集超過20億美元資金。該公司2021年9月聯合宣布，已將大型高溫超導磁體磁場強度提升至20特斯拉，這是全球同類磁體創造的最強磁場，為建設強磁場托卡馬克聚變能示范電廠奠定了基礎。

聯邦聚變系統公司正在建設一座名為SPARC的聚變示范裝置。這是一座緊湊的強磁場聚變裝置，大半徑1.85米，小半徑0.57米，環形磁場強度12特斯拉，等離子體電流強度8.7兆安培，2021年啟動建設，計劃于2025年實現能量凈增益。該公司計劃于2025年啟動首座聚變試驗電廠ARC的建設。

2.1.2 托卡馬克能源公司

托卡馬克能源公司是一家英國公司，2009年成立，派生于卡勒姆實驗室，迄今已募集超過1.2億美元資金，致力于開展球形托卡馬克研究。在同一磁場強度下，球形托卡馬克裝置產生的等離子體壓強比傳統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已實現1億℃等離子體溫度。這是太陽中心溫度的7倍，是實現氘氚受控核聚變必須達到的溫度。這是球形托卡馬克裝置首次實現該重要里程碑，也是全球首次由私營企業投資的聚變設施實現。該公司計劃在英國卡勒姆園區建設一座原型聚變堆ST80-HTS。這將是全球第一座大規模使用高溫超導磁體的強場球形托卡馬克裝置，2026年建成后將示范球形托卡馬克的關鍵運行優勢，并為聚變示范電廠ST-E1的設計提供關鍵信息。ST-E1擬于21世紀30年代初并網發電，凈裝機容量可能高達20萬千瓦。

2.2 兩家仿星器技術開發商

Type One能源集團公司和普林斯頓仿星器公司均聚焦于仿星器技術研發。仿星器技術由美國普林斯頓等離子體物理實驗室的研究人員在20世紀50年代首次提出，是一種利用外部線圈產生的非軸對稱磁場來約束等離子體的環形聚變裝置。

2.2.1 Type One能源集團公司

Type One能源集團公司2019年成立，由多名仿星器研究領域的知名科學家和在推進能源技術商業化方面擁有豐富經驗的資深商業領袖聯合組建，2023年3月完成總額超過2900萬美元的種子輪融資。該公司將充分利用高溫超導磁體和增材制造領域的最新研究成果，推進仿星器聚變技術的商業化進程。

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和普林斯頓等離體子物理實驗室，其主要技術特點是使用平面磁體陣列，消除其他仿星器技術所需的極為復雜的三維磁場線圈，因此能夠大幅簡化系統結構，并降低造價。近期高溫超導磁體技術突破有助于加速推進該公司技術商業化。

2.3 兩家激光慣性約束技術開發商

聚焦能源公司和Xcimer能源公司正在推進激光慣性約束技術商業化。激光慣性約束技術直接利用激光或者利用激光產生的X射線作為驅動源，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動，壓縮氘氚主燃料層到每立方厘米幾百克質量的極高密度，并使局部氘氚區域形成高溫高密度熱斑，從而達到聚變點火條件。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置在2022年12月5日的實驗中首次實現聚變產能大于驅動聚變反應發生的激光能量這一“點火”里程碑：激光器給燃料靶丸輸入了2.05兆焦能量，產生了3.15兆焦的聚變能量。這是人類首次在實驗室內實現能量凈增益的可控核聚變。

2.3.1 聚焦能源公司

聚焦能源公司是一家派生于德國達姆施塔特工業大學的美德合資企業，2021年成立，在2021年種子輪融資中募集1500萬美元。該公司技術的主要特點是將直接驅動激光燃料壓縮和質子快速點火結合在一起。該公司已在實驗室規模完成多項技術研發，包括激光放大器、靶定位機器人和新型診斷技術。

在2022年秋實驗中，位于布拉格的超強光學基礎設施（ELI）激光中心首次使用聚焦能源公司的激光技術獲得可供開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化道路上取得里程碑式進展。該公司正在與多家企業合作，積極推進相關研發，目標是2030年前后建設一座試驗電廠，示范使用激光點火實現受控核聚變反應堆的可行性。

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900萬美元資助。該公司技術擁有兩個特點。一是使用千萬焦耳級KrF準分子激光器，能夠以比美國家點火裝置低幾個數量級的成本、提供多達10倍的能量。通過與其他領域的最新技術結合，這種激光器能消除傳統慣性約束聚變技術存在的不足。二是使用由勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室開發、并經過充分研究的HYLIFE腔室設計。這一設計使用鋰鹽溶液（FliBe）完全覆蓋第一壁，在吸收聚變反應能量的同時保護第一壁，使第一壁能夠持續運行40年。

2.4 一家Z箍縮技術開發商

Zap能源公司是一家Z箍縮技術開發商。Z箍縮裝置利用強大磁場約束和箍縮等離子體，進而實現核聚變。Z箍縮理論模型誕生于20世紀30年代，但其等離子體一直面臨“嚴重不穩定性”困擾。20世紀90年代，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室和華盛頓大學研究人員合作提出了“剪切流穩定Z箍縮”概念。與需要使用大型強磁體的其他Z箍縮裝置不同，“剪切流穩定Z箍縮”裝置使用脈沖電流產生環繞等離子體柱的磁場來約束、箍縮和加熱等離子體，能夠降低不穩定性。由于不需要使用大型磁體，該技術適于建設可以放在車庫里的小型聚變堆。

Zap能源公司2017年成立，派生于華盛頓大學，致力于推進“剪切流穩定Z箍縮”技術商業化，研究工作在2022年5月取得里程碑式進展：其研究裝置FuZE-Q首次創造了等離子體。該公司此次獲得能源部500萬美元資助，迄今已籌集超過2億美元資金。

2.5 一家磁鏡技術開發商

Realta 聚變公司致力于推進磁鏡技術商業化。磁鏡是一種中間弱、兩端強的特殊的磁場位形。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麥迪遜分校，迄今已募集1200萬美元資金，包括美能源部通過“基于里程碑的聚變研發計劃”提供的300萬美元資金。該公司致力于開展緊湊型磁鏡聚變技術研究，其主要技術特點是將磁鏡聚變方案的穩定性和約束優勢與創新的等離子體加熱技術和強場超導技術結合在一起。

3 結語

聚變能具有燃料豐富、清潔、安全性高、能量密度大等突出優點，被視為終極能源，能夠幫助人類社會解決能源問題、助力可持續發展。美國政府將聚變技術視為一項能夠改變能源領域游戲規則的技術，有助于美實現2050年凈零排放目標。因此，美政府正在團結領導各方力量，推動聚變能商業化，幫助相關企業在未來十年建成聚變示范電廠。