美能源部宣布为八家企业提供资助助力未来十年建成聚变示范电厂

美国能源部2023年5月31日宣布资助八家聚变技术开发商总计4600万美元，帮助这些企业在未来18个月内完成聚变试验电厂预概念设计并制定技术路线图。这是拜登政府向未来十年建成聚变示范电厂、实现聚变能中等规模示范迈出的重要一步。这些开发商是美能源部在“基于里程碑的聚变研发计划”下给予资助的首批企业。

1 美高度重视聚变能商业化

美国政府十分重视聚变能发展，认为未来十年是聚变能实现商业化的关键期，并积极采取行动加速推进这一进程。美白宫科技政策办公室和能源部2022年3月举办首届聚变能峰会，宣布将牵头制定聚变能发展战略，目标是推动各方加强合作，形成合力，共同推进聚变能商业化进程。美能源部2022年6月组织召开聚变能研讨会，就制定发展战略展开研讨。美能源部在2024财年预算申请中为“聚变能科学”提供了10.1亿美元，同比增加32.4%，是有史以来最高金额。美核管会2023年4月宣布将基于“副产物设施”框架对聚变设施实施监管，降低聚变技术发展在监管方面的不确定性（详见本刊2023年第5期相关报道）。

美能源部2022 年11 月启动“基于里程碑的聚变研发计划”资助申请程序，并于2023 年5 月宣布下述八家企业将获得总计4600万美元资助：联邦聚变系统公司（CSF）、托卡马克能源公司（Tokamak Energy）、Type One 能源集团公司（Type One Energy Group）、普林斯顿仿星器公司（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聚变公司（Realta Fusion）。这些企业将利用磁体技术、激光器技术等其他领域的最新研究成果，推进托卡马克、仿星器、激光惯性约束、磁镜和Z箍缩等聚变技术的商业化应用。

2 开发商概况

2.1 两家强场托卡马克技术开发商

联邦聚变系统公司和托卡马克能源公司均为托卡马克技术开发商。托卡马克技术概念最初由苏联时期的库尔恰托夫研究所研究人员在20世纪50年代提出。托卡马克装置是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器：使用环向磁场与等离子体电流产生的极向磁场合成的一种具有磁力线旋转变换和磁面结构嵌套特征的磁场位形，用来约束轴对称环形高温等离子体。一般而言，托卡马克装置聚变功率与磁场强度的四次方成正比，即磁场强度增加1倍，聚变功率可提升16倍：对于某一聚变装置，提高磁场强度可以大幅提高装置功率；如果要建设某一功率的聚变装置，提高磁场强度能够大幅缩小聚变装置的体积。因此，两家开发商均准备利用高温超导磁体产生的强磁场，推进托卡马克技术商业化应用。

表1 美国能源部给予资助的八家聚变技术研发企业

2.1.1 联邦聚变系统公司

联邦聚变系统公司2018年成立，派生于麻省理工学院，致力于开展强磁场托卡马克技术研究，迄今已募集超过20亿美元资金。该公司2021年9月联合宣布，已将大型高温超导磁体磁场强度提升至20特斯拉，这是全球同类磁体创造的最强磁场，为建设强磁场托卡马克聚变能示范电厂奠定了基础。

联邦聚变系统公司正在建设一座名为SPARC的聚变示范装置。这是一座紧凑的强磁场聚变装置，大半径1.85米，小半径0.57米，环形磁场强度12特斯拉，等离子体电流强度8.7兆安培，2021年启动建设，计划于2025年实现能量净增益。该公司计划于2025年启动首座聚变试验电厂ARC的建设。

2.1.2 托卡马克能源公司

托卡马克能源公司是一家英国公司，2009年成立，派生于卡勒姆实验室，迄今已募集超过1.2亿美元资金，致力于开展球形托卡马克研究。在同一磁场强度下，球形托卡马克装置产生的等离子体压强比传统托卡马克装置高得多，即球形托卡马克的效率更高。

2022年3月托卡马克能源公司宣布，其聚变研究装置ST40已实现1亿℃等离子体温度。这是太阳中心温度的7倍，是实现氘氚受控核聚变必须达到的温度。这是球形托卡马克装置首次实现该重要里程碑，也是全球首次由私营企业投资的聚变设施实现。该公司计划在英国卡勒姆园区建设一座原型聚变堆ST80-HTS。这将是全球第一座大规模使用高温超导磁体的强场球形托卡马克装置，2026年建成后将示范球形托卡马克的关键运行优势，并为聚变示范电厂ST-E1的设计提供关键信息。ST-E1拟于21世纪30年代初并网发电，净装机容量可能高达20万千瓦。

2.2 两家仿星器技术开发商

Type One能源集团公司和普林斯顿仿星器公司均聚焦于仿星器技术研发。仿星器技术由美国普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员在20世纪50年代首次提出，是一种利用外部线圈产生的非轴对称磁场来约束等离子体的环形聚变装置。

2.2.1 Type One能源集团公司

Type One能源集团公司2019年成立，由多名仿星器研究领域的知名科学家和在推进能源技术商业化方面拥有丰富经验的资深商业领袖联合组建，2023年3月完成总额超过2900万美元的种子轮融资。该公司将充分利用高温超导磁体和增材制造领域的最新研究成果，推进仿星器聚变技术的商业化进程。

2.2.2 普林斯顿仿星器公司

普林斯顿仿星器公司2022年成立，派生于普林斯顿大学和普林斯顿等离体子物理实验室，其主要技术特点是使用平面磁体阵列，消除其他仿星器技术所需的极为复杂的三维磁场线圈，因此能够大幅简化系统结构，并降低造价。近期高温超导磁体技术突破有助于加速推进该公司技术商业化。

2.3 两家激光惯性约束技术开发商

聚焦能源公司和Xcimer能源公司正在推进激光惯性约束技术商业化。激光惯性约束技术直接利用激光或者利用激光产生的X射线作为驱动源，均匀地作用于装填氘氚燃料的微型球状靶丸外壳表面，烧蚀形成向外膨胀的高温高压等离子体，利用反冲压力，使靶的外壳极快向心运动，压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑，从而达到聚变点火条件。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室国家点火装置在2022年12月5日的实验中首次实现聚变产能大于驱动聚变反应发生的激光能量这一“点火”里程碑：激光器给燃料靶丸输入了2.05兆焦能量，产生了3.15兆焦的聚变能量。这是人类首次在实验室内实现能量净增益的可控核聚变。

2.3.1 聚焦能源公司

聚焦能源公司是一家派生于德国达姆施塔特工业大学的美德合资企业，2021年成立，在2021年种子轮融资中募集1500万美元。该公司技术的主要特点是将直接驱动激光燃料压缩和质子快速点火结合在一起。该公司已在实验室规模完成多项技术研发，包括激光放大器、靶定位机器人和新型诊断技术。

在2022年秋实验中，位于布拉格的超强光学基础设施（ELI）激光中心首次使用聚焦能源公司的激光技术获得可供开展聚变研究的高重频等离子体。这意味着聚焦能源公司在聚变能商业化道路上取得里程碑式进展。该公司正在与多家企业合作，积极推进相关研发，目标是2030年前后建设一座试验电厂，示范使用激光点火实现受控核聚变反应堆的可行性。

2.3.2 Xcimer能源公司

Xcimer能源公司成立于2021年，此次获得了能源部900万美元资助。该公司技术拥有两个特点。一是使用千万焦耳级KrF准分子激光器，能够以比美国家点火装置低几个数量级的成本、提供多达10倍的能量。通过与其他领域的最新技术结合，这种激光器能消除传统惯性约束聚变技术存在的不足。二是使用由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室开发、并经过充分研究的HYLIFE腔室设计。这一设计使用锂盐溶液（FliBe）完全覆盖第一壁，在吸收聚变反应能量的同时保护第一壁，使第一壁能够持续运行40年。

2.4 一家Z箍缩技术开发商

Zap能源公司是一家Z箍缩技术开发商。Z箍缩装置利用强大磁场约束和箍缩等离子体，进而实现核聚变。Z箍缩理论模型诞生于20世纪30年代，但其等离子体一直面临“严重不稳定性”困扰。20世纪90年代，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和华盛顿大学研究人员合作提出了“剪切流稳定Z箍缩”概念。与需要使用大型强磁体的其他Z箍缩装置不同，“剪切流稳定Z箍缩”装置使用脉冲电流产生环绕等离子体柱的磁场来约束、箍缩和加热等离子体，能够降低不稳定性。由于不需要使用大型磁体，该技术适于建设可以放在车库里的小型聚变堆。

Zap能源公司2017年成立，派生于华盛顿大学，致力于推进“剪切流稳定Z箍缩”技术商业化，研究工作在2022年5月取得里程碑式进展：其研究装置FuZE-Q首次创造了等离子体。该公司此次获得能源部500万美元资助，迄今已筹集超过2亿美元资金。

2.5 一家磁镜技术开发商

Realta 聚变公司致力于推进磁镜技术商业化。磁镜是一种中间弱、两端强的特殊的磁场位形。在可控核聚变装置中，可利用磁镜约束高温等离子气体。

Realta聚变公司2022年秋成立，派生于威斯康星大学麦迪逊分校，迄今已募集1200万美元资金，包括美能源部通过“基于里程碑的聚变研发计划”提供的300万美元资金。该公司致力于开展紧凑型磁镜聚变技术研究，其主要技术特点是将磁镜聚变方案的稳定性和约束优势与创新的等离子体加热技术和强场超导技术结合在一起。

3 结语

聚变能具有燃料丰富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点，被视为终极能源，能够帮助人类社会解决能源问题、助力可持续发展。美国政府将聚变技术视为一项能够改变能源领域游戏规则的技术，有助于美实现2050年净零排放目标。因此，美政府正在团结领导各方力量，推动聚变能商业化，帮助相关企业在未来十年建成聚变示范电厂。