商用可控核聚變堆實現(xiàn)在即，還是在陜西？？？

蕭簫 2022-08-24 14:15:24 來源：量子位

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量子位 | 公眾號 QbitAI

國內首個商用可控核聚變堆將建成，還是在陜西？？？

一覺醒來，可控核聚變要商用的消息就刷了屏，不少網友已經在腦補“是不是能用上可控核聚變發(fā)的電了”。

再仔細一看，事情似乎沒那么簡單——

新聞里提到的這個商用化的可控核聚變項目，連裝置都還沒搭好……

要知道，國外的ITER、國內合肥的EAST已經做了好些年了，可控核聚變“商業(yè)化”也只敢保守地提一句“三十年內實現(xiàn)”。

這個連裝置都還在搭建中的可控核聚變堆，真就能成我國首個商用項目了？

陜西這個項目，究竟是個啥？

新聞中提到的這個項目，由陜西星環(huán)聚能科技有限公司（以下簡稱“星環(huán)聚能”）實施，技術源自清華大學核聚變團隊。

據團隊介紹，他們提出和設計的基于球形托卡馬克的緊湊型重復重聯(lián)聚變反應堆（CTRFR），有望極大減少繁冗的輔助設備，顯著降低聚變堆的復雜度，并提高氚增殖率。

△星環(huán)聚能可控核聚變裝置原理圖

在建的反應堆，則號稱是“我國首個小型化和快速迭代的商用可控核聚變反應堆”。

雖然據36氪披露，星環(huán)聚能目前只有20多名員工，不過就在今年6月，這家公司獲得了一批數(shù)億元的融資，由順為資本、聯(lián)想之星等10多家機構聯(lián)合完成。

拿到錢就開工，目前這家公司已完成實驗基地改造。

據星環(huán)聚能創(chuàng)始人介紹，球形托卡馬克裝置的安裝部件已全部入場，預計在今年十一（國慶節(jié)）之前徹底完成一代裝置組裝。

知乎@魚昆 是實驗室項目組員，他透露部件已于這周開始組裝，現(xiàn)在組里做實驗的同學基本都在西安搭建這個裝置。

但這個裝置搭好后，真的就是建成了嗎？

對此創(chuàng)始人表示：

目前這個項目只是一個“零號機”，只是為了驗證整個方案的科學可行性。

也就是說，這個反應堆，是為后續(xù)商業(yè)可行性夯實理論基礎，并不會產生實際的聚變效果。

至于不少網友期待的“并網發(fā)電”，可能還得再等等等等等等一段時間……

不過，這家公司表示，如果明年進度符合預期，他們將實現(xiàn)加熱等離子體到1.5 keV（約1700萬攝氏度，比太陽核心溫度還高）的目標。

也就是說，如果這個可控核聚變堆要是建成后真的能商用，也不失為一個突破。

為什么網友們還是紛紛發(fā)出魯豫的聲音？

首先得說說可控核聚變是怎么一回事。

核聚變，簡單來說就是在超高溫或高壓條件下，把兩個較輕的原子核結合，形成一個較重的原子核（和一個極輕的原子核）的過程。

這個過程會以極高的效率釋放巨大的能量，而且污染小，效率高，一旦做到“可控”，能創(chuàng)造巨大的能源價值。

但注意，可控核聚變的難度，并非難在核聚變，而是“可控”上。

為了達到“可控”，需要約束超高溫或高壓條件下等離子體狀態(tài)的物質，目前一般會采用慣性約束和磁場約束這兩種方法。

△圖源量子位B站視頻

現(xiàn)在的主流磁約束聚變裝置就是托卡馬克，它的性能好、研究也比較充分。星環(huán)聚能就采用的是球形托卡馬克。

再進一步說，如果能商用在聚變能電站、大中型船舶、海上作業(yè)平臺等，人類似乎能從此獲得取之不竭的清潔能源。

所以，可控核聚變的研究征程已經很長了，不少都正在推進。

比如集多國之力的“國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃”，早在37年前（1985年）就提出了。

ITER計劃要首次建造可實現(xiàn)大規(guī)模聚變反應的聚變實驗堆，其裝置也是一個托卡馬克。

△ITER組裝現(xiàn)場（圖源ITER官網）

1988年，實驗堆開始研究設計，歷時13年、耗資15億美元，最終于2001年完成。2006年，中國也正式加入該計劃。

壞消息是，至今35個參與國已花費超240億美元，ITER計劃仍未實現(xiàn)。

好消息是，目前ITER的竣工計劃定在了2026年前。

此外，包括英國的托卡馬克裝置歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）、合肥的“人造太陽”EAST也在嘗試刷新可控核聚變的相關數(shù)據紀錄。

△2018年度EAST實現(xiàn)的1億度等離子體放電

其中，EAST已于2018年，在10兆瓦加熱功率下，實現(xiàn)了1億度高溫；2021年，EAST成功實現(xiàn)了可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行。

我國商業(yè)化進展究竟如何

確切來說，目前在做的商業(yè)可控核聚變公司主要有3家。

包括星環(huán)聚能在內，其他兩家的路線也基本相同——都是基于磁性約束原理，也就是采用托卡馬克裝置。

雖然新聞中宣稱星環(huán)聚能將建成“國內首個商用可控核聚變堆”，但項目相關成員、來自清華大學等離子體科學與聚變實驗室的@魚昆指出，最早的商用堆應該是“玄龍-50”。

“玄龍-50”是國內的首座中等規(guī)模球形托卡馬克聚變實驗裝置，于2019年在河北廊坊建成，并實現(xiàn)了第一次等離子體放電。

也就是說，最早做商用可控核聚變堆的是旗下有一家能源公司的新奧集團，“玄龍-50”就是他們做出來的。

根據公司官網給出的路線圖來看，目前這個裝置仍然在進行物理實驗、并準備進行相應的驗證和優(yōu)化，計劃在30年內實現(xiàn)聚變能源商業(yè)化。

另一家公司能量奇點，與星環(huán)聚能一樣都是在2021年成立的。

去年6月，能量奇點獲得了近4億元的天使輪投資，由米哈游和蔚來資本領投。

但在進展上，這家公司的裝置還在搭建，離商用化也還有20年左右的時間。

具體來說，能量奇點計劃在2024年研發(fā)和建成基于全高溫超導磁體的緊湊型托卡馬克實驗裝置，運行并點亮等離子體。

隨后，他們打算在5~7年內建成等效Q>1的先進高溫超導托卡馬克，并在10~15年內建成經濟聚變發(fā)電商業(yè)示范堆。

也就是說，7年左右時間實現(xiàn)這個裝置輸入能量小于輸出能量（不然收不回成本），再在15年內搞定商用化。

所以，這些公司憑什么技術“加速”可控核聚變商用化進程，甚至聲稱速度比ITER這些項目還快？

一個例子就是在在托卡馬克裝置關鍵核心超導磁體的路線選擇上。

目前國內外商業(yè)公司基本都走高溫超導路線，但大型研究項目包括中科院的EAST和國際上的ITER，卻都是基于低溫超導的。

（注意，在超導中，室溫比“高溫”的溫度要高）

畢竟低溫超導磁線圈的磁場強度限制，會導致設備又大又貴，不容易商業(yè)化。

但高溫超導磁場技術則在最近十年取得了很大進步，其最高磁場強度范圍比低溫磁線圈更廣（《Journal of Fusion Energy》），從而讓托卡馬克裝置得以小型化、造價更低。

目前，這波能源投資的風氣，已經刮到了海內外。

據美國《新聞周刊》披露，2022年，核聚變領域的私人投資額激增，短短一年的投資額就超過此前的投資總額。

國外科技巨頭也想“十年搞定商用化”

不止國內掀起的一波可控核聚變投資熱，近兩年這類項目在國外也很火。

一方面是國家政策上。不僅原本打算放棄核能的韓國和德國，開始修訂“放棄核能”的計劃，歐美也開始加大對核能相關項目的扶持。

另一方面是科技巨頭和個人投資者的入局。據Fastcompany介紹，微軟的比爾·蓋茨和亞馬遜的貝佐斯，已經在核聚變相關的公司上砸了接近34億美元。

當然，與國內基本專注于托卡馬克裝置路線不同的是，目前國外的30多家可控核聚變商業(yè)公司中，已經出現(xiàn)了磁性約束和慣性約束兩種路線。

其中磁性約束的代表，則要屬由MIT創(chuàng)立、獲得了谷歌和比爾蓋茨投資的美國初創(chuàng)公司CFS。

△圖源CFS

嗯，就是聲稱要在2025年實現(xiàn)可控核聚變商業(yè)發(fā)電（供熱）的那家公司，比ITER竣工甚至還早一年。

這家公司的計劃也是做托卡馬克裝置，目前最大的進展是研發(fā)出了一種能實現(xiàn)高達20T（特斯拉）磁場的高溫超導磁體。

注意，即使是ITER使用的超導磁體，磁場強度最高也只能達到5.3T。如果CFS真的實現(xiàn)了高達20T的強磁場，意味著能大大縮小托卡馬克的體積。

△鋼鐵俠用的就是超小型可控核聚變裝置

慣性約束的代表，則是一家位于英國牛津的核聚變技術First Light Fusion，他們打造的可控核聚變裝置叫做“Big Friendly Gun”。

這個裝置長約22米，重25000公斤，能以超音速近19.11倍的飛行速度發(fā)射100克的射彈，通過射彈高速壓縮靶丸內部燃料，就能達到聚變所需的壓力和溫度。

值得一提的是，這家公司畫出的大餅更誘人——通過這個裝置，能讓一度的電價格低于0.05美元（約3毛錢）。

除了商用公司，也有其他公司在“順道”進行這方面的研究。

例如今年年初，AI公司DeepMind就在Nature上發(fā)表了一項研究，宣稱成功實現(xiàn)了用AI來動態(tài)控制托卡馬克的磁場，從而精準控制內部的等離子體。

所以，這些科技公司是否能比國際研究項目更快地研究出商用化的可控核聚變裝置？

我們過幾年就知道了（手動狗頭）。

參考鏈接：
[1]知乎@魚昆（已授權）：https://www.zhihu.com/question/549653138/answer/2642016005
[2]https://www.toutiao.com/video/7134688202937336331/
[3]https://www.fastcompany.com/90779799/the-frontrunners-in-the-trillion-dollar-race-for-limitless-fusion-power
[4]https://www.zhihu.com/question/549653138
[5]https://mp.weixin.qq.com/s/yv2CPhoUWhbVZzr_NDFJzg
[6]http://www.ennresearch.com/leader/nuclear/