商用可控核聚變堆實(shí)現(xiàn)在即，還是在陜西？？？
公司創(chuàng)始人：目前還是“零號(hào)機(jī)”
衡宇 蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號(hào) QbitAI
國內(nèi)首個(gè)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(wǎng)友已經(jīng)在腦補(bǔ)“是不是能用上可控核聚變發(fā)的電了”。
再仔細(xì)一看，事情似乎沒那么簡單——
新聞里提到的這個(gè)商用化的可控核聚變項(xiàng)目，連裝置都還沒搭好……
要知道，國外的ITER、國內(nèi)合肥的EAST已經(jīng)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(nèi)實(shí)現(xiàn)”。
這個(gè)連裝置都還在搭建中的可控核聚變堆，真就能成我國首個(gè)商用項(xiàng)目了？
陜西這個(gè)項(xiàng)目，究竟是個(gè)啥？
新聞中提到的這個(gè)項(xiàng)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(shí)施，技術(shù)源自清華大學(xué)核聚變團(tuán)隊(duì)。
據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，他們提出和設(shè)計(jì)的基于球形托卡馬克的緊湊型重復(fù)重聯(lián)聚變反應(yīng)堆（CTRFR），有望極大減少繁冗的輔助設(shè)備，顯著降低聚變堆的復(fù)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(yīng)堆，則號(hào)稱是“我國首個(gè)小型化和快速迭代的商用可控核聚變反應(yīng)堆”。
雖然據(jù)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(jī)構(gòu)聯(lián)合完成。
拿到錢就開工，目前這家公司已完成實(shí)驗(yàn)基地改造。
據(jù)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(yù)計(jì)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(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目組員，他透露部件已于這周開始組裝，現(xiàn)在組里做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)基本都在西安搭建這個(gè)裝置。
但這個(gè)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(gè)項(xiàng)目只是一個(gè)“零號(hào)機(jī)”，只是為了驗(yàn)證整個(gè)方案的科學(xué)可行性。
也就是說，這個(gè)反應(yīng)堆，是為后續(xù)商業(yè)可行性夯實(shí)理論基礎(chǔ)，并不會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的聚變效果。
至于不少網(wǎng)友期待的“并網(wǎng)發(fā)電”，可能還得再等等等等等等一段時(shí)間……
不過，這家公司表示，如果明年進(jìn)度符合預(yù)期，他們將實(shí)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(biāo)。
也就是說，如果這個(gè)可控核聚變堆要是建成后真的能商用，也不失為一個(gè)突破。
為什么網(wǎng)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(gè)較輕的原子核結(jié)合，形成一個(gè)較重的原子核（和一個(gè)極輕的原子核）的過程。
這個(gè)過程會(huì)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(jià)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(dá)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(zhì)，目前一般會(huì)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(jìn)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(tái)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(jīng)很長了，不少都正在推進(jìn)。
比如集多國之力的“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃”，早在37年前（1985年）就提出了。
ITER計(jì)劃要首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實(shí)驗(yàn)堆，其裝置也是一個(gè)托卡馬克。
△ITER組裝現(xiàn)場（圖源ITER官網(wǎng)）
1988年，實(shí)驗(yàn)堆開始研究設(shè)計(jì)，歷時(shí)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(jì)劃。
壞消息是，至今35個(gè)參與國已花費(fèi)超240億美元，ITER計(jì)劃仍未實(shí)現(xiàn)。
好消息是，目前ITER的竣工計(jì)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(guān)數(shù)據(jù)紀(jì)錄。
△2018年度EAST實(shí)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(shí)現(xiàn)了1億度高溫；2021年，EAST成功實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。
我國商業(yè)化進(jìn)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(nèi)，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(nèi)首個(gè)商用可控核聚變堆”，但項(xiàng)目相關(guān)成員、來自清華大學(xué)等離子體科學(xué)與聚變實(shí)驗(yàn)室的@魚昆指出，最早的商用堆應(yīng)該是“玄龍-50”。
“玄龍-50”是國內(nèi)的首座中等規(guī)模球形托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置，于2019年在河北廊坊建成，并實(shí)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(tuán)，“玄龍-50”就是他們做出來的。
根據(jù)公司官網(wǎng)給出的路線圖來看，目前這個(gè)裝置仍然在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)、并準(zhǔn)備進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證和優(yōu)化，計(jì)劃在30年內(nèi)實(shí)現(xiàn)聚變能源商業(yè)化。
另一家公司能量奇點(diǎn)，與星環(huán)聚能一樣都是在2021年成立的。
去年6月，能量奇點(diǎn)獲得了近4億元的天使輪投資，由米哈游和蔚來資本領(lǐng)投。
但在進(jìn)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(shí)間。
具體來說，能量奇點(diǎn)計(jì)劃在2024年研發(fā)和建成基于全高溫超導(dǎo)磁體的緊湊型托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，運(yùn)行并點(diǎn)亮等離子體。
隨后，他們打算在5~7年內(nèi)建成等效Q>1的先進(jìn)高溫超導(dǎo)托卡馬克，并在10~15年內(nèi)建成經(jīng)濟(jì)聚變發(fā)電商業(yè)示范堆。
也就是說，7年左右時(shí)間實(shí)現(xiàn)這個(gè)裝置輸入能量小于輸出能量（不然收不回成本），再在15年內(nèi)搞定商用化。
所以，這些公司憑什么技術(shù)“加速”可控核聚變商用化進(jìn)程，甚至聲稱速度比ITER這些項(xiàng)目還快？
一個(gè)例子就是在在托卡馬克裝置關(guān)鍵核心超導(dǎo)磁體的路線選擇上。
目前國內(nèi)外商業(yè)公司基本都走高溫超導(dǎo)路線，但大型研究項(xiàng)目包括中科院的EAST和國際上的ITER，卻都是基于低溫超導(dǎo)的。
（注意，在超導(dǎo)中，室溫比“高溫”的溫度要高）
畢竟低溫超導(dǎo)磁線圈的磁場強(qiáng)度限制，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備又大又貴，不容易商業(yè)化。
但高溫超導(dǎo)磁場技術(shù)則在最近十年取得了很大進(jìn)步，其最高磁場強(qiáng)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(jià)更低。
目前，這波能源投資的風(fēng)氣，已經(jīng)刮到了海內(nèi)外。
據(jù)美國《新聞周刊》披露，2022年，核聚變領(lǐng)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(nèi)掀起的一波可控核聚變投資熱，近兩年這類項(xiàng)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(jì)劃，歐美也開始加大對核能相關(guān)項(xiàng)目的扶持。
另一方面是科技巨頭和個(gè)人投資者的入局。據(jù)Fastcompany介紹，微軟的比爾·蓋茨和亞馬遜的貝佐斯，已經(jīng)在核聚變相關(guān)的公司上砸了接近34億美元。
當(dāng)然，與國內(nèi)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(jīng)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(shí)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(jì)劃也是做托卡馬克裝置，目前最大的進(jìn)展是研發(fā)出了一種能實(shí)現(xiàn)高達(dá)20T（特斯拉）磁場的高溫超導(dǎo)磁體。
注意，即使是ITER使用的超導(dǎo)磁體，磁場強(qiáng)度最高也只能達(dá)到5.3T。如果CFS真的實(shí)現(xiàn)了高達(dá)20T的強(qiáng)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(shù)First Light Fusion，他們打造的可控核聚變裝置叫做“Big Friendly Gun”。
這個(gè)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(nèi)部燃料，就能達(dá)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(gè)裝置，能讓一度的電價(jià)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(jìn)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(xiàng)研究，宣稱成功實(shí)現(xiàn)了用AI來動(dòng)態(tài)控制托卡馬克的磁場，從而精準(zhǔn)控制內(nèi)部的等離子體。
所以，這些科技公司是否能比國際研究項(xiàng)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(dòng)狗頭）。
參考鏈接：
[1]知乎@魚昆（已授權(quán)）：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/
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