1、聚變商業(yè)化

First Light Fusion已經(jīng)研發(fā)出射彈技術(shù)的聚變反應(yīng)(照源：First Light)

雖然尚未成為現(xiàn)實(shí)，但如果看聚變技術(shù)的私人投資水平情況，商業(yè)聚變的實(shí)現(xiàn)正越來越接近現(xiàn)實(shí)。

根據(jù)聚變行業(yè)協(xié)會(huì)(Fusion Industry Association)的《2022年全球聚變行業(yè)報(bào)告》，私人聚變公司的投資比去年翻了一番多。

在同一時(shí)期，成立了八家新的聚變方面的公司，總數(shù)超過30家。

作為投資者對(duì)聚變行業(yè)信心不斷增強(qiáng)的一個(gè)跡象，六家公司目前已各自籌集了超過2億美元的資金。

據(jù)報(bào)道，去年的亮點(diǎn)包括18億美元用于聯(lián)邦聚變系統(tǒng)(Commonwealth Fusion Systems)，5億美元用于太陽神能源(Helion Energy)。

FIA表示，總體而言，私人聚變公司已宣布近50億美元的集體融資，比2021的數(shù)字增加了約140%。

在美國，聚變的私人投資現(xiàn)在首次超過了國家支持的資金。盡管全球國家的資金仍高于私營部門，但國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)項(xiàng)目仍然是國際努力的重點(diǎn)。

2、ITER近況

也許是世界上最著名的聚變項(xiàng)目，ITER的第一個(gè)等離子體，在全球新冠肺炎大流行的影響和一些出現(xiàn)的技術(shù)困難之后，現(xiàn)在將再次推遲。

雖然修訂后的時(shí)間表尚未確定，但根據(jù)一些估計(jì)，產(chǎn)生第一個(gè)等離子體現(xiàn)在預(yù)計(jì)要到2027年。

目前的時(shí)間表預(yù)計(jì)2025年產(chǎn)生第一個(gè)等離子體，2035年開始使用氘-氚燃料。

新的時(shí)間表將在前總干事伯納德·比戈(Bernard Bigot)去世后任命新總干事后最終確定。

理事會(huì)已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè)挑選繼任總干事的進(jìn)程，新的時(shí)間表預(yù)計(jì)將于2023年春獲得ITER理事會(huì)的批準(zhǔn)。

盡管拖延，托卡馬克聚變裝置(在法國南部的圣保羅-萊斯杜蘭斯建造)的完工進(jìn)度仍在繼續(xù)。

5月，等離子體室的九個(gè)子部分中的第一個(gè)，被提升到機(jī)井中。該段重約1,000噸，形成真空容器部分的一個(gè)40°弧。

它配備有熱屏蔽和兩個(gè)包含超導(dǎo)電磁體的環(huán)形場(chǎng)線圈。其他八個(gè)類似的組件將形成完整的腔室。

完成后，真空容器的直徑將為19.4米，高度將為11.4米。它的內(nèi)部容積為1400m3，可容納840m3的等離子體，比目前最大在運(yùn)托卡馬克多10倍。

ITER最近實(shí)現(xiàn)了一個(gè)建設(shè)里程碑，將真空室的第一部分提升到位(圖源：ITER)

最近，日本三菱重工株式會(huì)社(MHI)于7月交付了測(cè)試設(shè)備，以確認(rèn)并證明ITER測(cè)試包層模塊(TBM)的安全性。

包層是構(gòu)成聚變反應(yīng)堆內(nèi)壁的部件之一，是一個(gè)關(guān)鍵部件，可提取反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量，并提供用作燃料的氚的自我維持繁殖。

為了證明聚變技術(shù)的可行性，ITER的建設(shè)于2010年首次開始，最初的第一個(gè)等離子體計(jì)劃于2018年完成。

ITER預(yù)計(jì)不會(huì)發(fā)電，而這一由35個(gè)國家組成的獨(dú)特國際項(xiàng)目，在開發(fā)過程中普遍預(yù)計(jì)會(huì)遇到延誤。

盡管如此，ITER已經(jīng)完成了75%以上，在過去的兩年里，組件繼續(xù)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。每個(gè)成員都完成了在材料科學(xué)、電磁學(xué)、低溫學(xué)和機(jī)器人等不同領(lǐng)域需要工程創(chuàng)新的一流組件。

3、超越ITER

激光焊接機(jī)器人

展望下一代聚變技術(shù)，英國原子能管理局(UKAEA)開發(fā)了一種激光焊接機(jī)器人snake，能夠在聚變電站的管道系統(tǒng)內(nèi)操作。

獲得專利的DEMO snake將在聚變反應(yīng)堆內(nèi)的危險(xiǎn)環(huán)境中遠(yuǎn)程操作，并在有限的通道中工作。

該項(xiàng)目還需要開發(fā)超聲波傳感器系統(tǒng)，以便在snake穿過管道時(shí)識(shí)別每個(gè)精確的工作位置。

這項(xiàng)耗資270萬英鎊(250萬美元)的為期七年的項(xiàng)目，屬于UKAEA的“挑戰(zhàn)性環(huán)境中的遠(yuǎn)程應(yīng)用”計(jì)劃(RACE)，是EUROfusion演示(DEMO)聚變計(jì)劃的一部分。預(yù)計(jì)將是ITER項(xiàng)目的后續(xù)項(xiàng)目。

UKAEA的首席機(jī)械設(shè)計(jì)工程師Tristan Tremethick解釋說：“在聚變機(jī)中，由于危險(xiǎn)環(huán)境，管道必須遠(yuǎn)程連接和斷開。由于工作空間有限，DEMO中的管道工作極具挑戰(zhàn)性。機(jī)器人是我們提供低碳聚變能源任務(wù)的關(guān)鍵部分，我們需要熟練地遠(yuǎn)程控制像這樣的機(jī)器。這是因?yàn)樗鼈儗⒂糜诰S護(hù)聚變能源發(fā)電廠。我們將無法讓人進(jìn)入，機(jī)器人將讓他們繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)——這是未來要求。”

RACE還開發(fā)了一種激光切割工具，其工作原理與焊接snake相同。

板內(nèi)屏蔽

STEP反應(yīng)堆建筑的剖面圖(圖源：UKAEA)

在英國其他地方，Cerberus Nuclear和Assystem正在為球形托卡馬克能量生產(chǎn)(STEP)反應(yīng)堆開發(fā)板內(nèi)屏蔽設(shè)計(jì)，該反應(yīng)堆是UKAEA的原型聚變裝置。

該項(xiàng)目涉及階梯式聚變反應(yīng)堆中心柱內(nèi)的極端環(huán)境，其中等離子體中的溫度可能超過1億℃，超導(dǎo)磁體低溫系統(tǒng)中的溫度范圍可能低于-200℃，范圍僅為幾米。

Cerberus Nuclear和Assystem將在中心柱的板內(nèi)屏蔽部分開發(fā)輻射屏蔽和冷卻策略，以保護(hù)敏感的環(huán)形磁體。Cerberus旨在優(yōu)化屏蔽，以最大限度地延長這些部件的使用壽命。

概念反應(yīng)堆設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)在2024年完成，首次運(yùn)行預(yù)計(jì)在2040年代初。今年將從英國五個(gè)入圍地點(diǎn)中選出一個(gè)開發(fā)地點(diǎn)。

氫同位素分離技術(shù)

系統(tǒng)、工程和技術(shù)咨詢公司弗雷澤·納什(Frazer Nash)對(duì)UKAEA進(jìn)行了可行性研究，將其轉(zhuǎn)化為氫同位素分離技術(shù)，這也是STEP計(jì)劃的一部分。

所謂的生存能力和光學(xué)技術(shù)研究，將探索一種稱為熱循環(huán)吸收過程(TCAP)的技術(shù)，用于分離和回收钚、氘和氚。

集成測(cè)試設(shè)施

日本京都聚變有限公司還完成了一個(gè)綜合測(cè)試設(shè)施的初步設(shè)計(jì)，用于測(cè)試聚變反應(yīng)堆的發(fā)電系統(tǒng)。

獨(dú)特的集成測(cè)試設(shè)施(UNITY)將測(cè)試熱量提取和燃料循環(huán)系統(tǒng)，使公司能夠?qū)①Y源集中在聚變動(dòng)力堆芯開發(fā)上。

UNITY將配備測(cè)試包層模塊、液態(tài)金屬和熔鹽的主冷卻回路、熱交換器、氚回收系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)。

它們將與測(cè)試分流器模塊、氚泵和氚燃料循環(huán)系統(tǒng)集成。這些組件不僅是ITER之后的示范型電廠所需，而且也是私營部門正在開發(fā)的電廠設(shè)計(jì)所需的。

預(yù)計(jì)將于8月左右在日本開始施工，測(cè)試回路計(jì)劃于2023年3月完成。計(jì)劃在2025年底前完成完整的UNITY施工和隨后的發(fā)電示范。

最近還進(jìn)行了一些新型聚變反應(yīng)堆的開發(fā)。

4、聚變發(fā)展突破

英國原子能機(jī)構(gòu)(UKAEA)已經(jīng)獨(dú)立驗(yàn)證了First Light Fusion已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的聚變研究。這是第一次使用First Light開發(fā)的獨(dú)特目標(biāo)實(shí)現(xiàn)聚變?nèi)诤稀?/p>

First Light旨在用盡可能簡單的機(jī)器及其拋射技術(shù)解決聚變能量問題。

First Light表示，射彈聚變是慣性聚變的一種新方法，更簡單，更節(jié)能，物理風(fēng)險(xiǎn)更低。

First Light沒有使用復(fù)雜且昂貴的激光器或磁體來產(chǎn)生或維持聚變所需的條件，而是使用其兩級(jí)超高速氣槍，向含有聚變?nèi)剂系哪繕?biāo)發(fā)射射彈。

藍(lán)色部分是電容器，用于存儲(chǔ)加速彈丸所需的電荷。

First Light的關(guān)鍵技術(shù)是目標(biāo)設(shè)計(jì)，它將彈丸的能量集中，將燃料內(nèi)爆到使聚變發(fā)生所需的溫度和密度。

First Light在一份聲明中解釋說：“彈丸在撞擊前達(dá)到了每秒6.5公里的速度。First Light高度精密的目標(biāo)聚焦于撞擊，燃料在內(nèi)爆時(shí)加速到每秒70公里以上，通過我們專有的先進(jìn)目標(biāo)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了速度的提高，使其成為當(dāng)時(shí)地球上移動(dòng)最快的物體。”

First Light的動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)涉及將目標(biāo)落入反應(yīng)室，并通過同一入口向下發(fā)射射彈，因此它在正確的時(shí)刻趕上并撞擊目標(biāo)，并釋放聚變能量脈沖。

這些能量被在腔室中流動(dòng)的鋰吸收，使其升溫。流動(dòng)的液體保護(hù)腔室不受巨大能量釋放的影響，避免了其他聚變方法中一些最困難的工程問題。

最后，熱交換器將鋰的熱量傳遞到水和常規(guī)蒸汽循環(huán)以發(fā)電。

UKAEA受邀在First Light的聚變結(jié)果公布之前對(duì)其進(jìn)行分析和驗(yàn)證，并確認(rèn)有證據(jù)表明First Light產(chǎn)生的中子與氘燃料聚變產(chǎn)生的中子一致。

牛津大學(xué)螺旋輸出(University of Oxford spin out)憑借其相對(duì)簡單的設(shè)備(大部分由現(xiàn)成的組件構(gòu)建)，以不到4,500萬英鎊(5,850萬美元)的成本實(shí)現(xiàn)了聚變。

First Light還聲稱，其性能改進(jìn)速度比歷史上任何其他聚變方案都快。

First Light進(jìn)行的同行評(píng)審分析表明，射彈聚變提供了一條途徑，可實(shí)現(xiàn)低于50美元/ MWh的極具競(jìng)爭(zhēng)力的水平化能源成本(LCOE)，直接與可再生能源進(jìn)行成本競(jìng)爭(zhēng)。

“增益”實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃正在推進(jìn)——在該實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的能量比投入的能量多。

First Light預(yù)計(jì)將與現(xiàn)有電力生產(chǎn)商合作，在2030年代開發(fā)一個(gè)約150 MWe的試點(diǎn)電廠，成本不到10億美元。

該公司已與瑞銀投資銀行(UBS Investment Bank)合作，探索下一階段科學(xué)和商業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。

5、氫-硼能源技術(shù)

HB11的聚變過程是精確的，而不是希望產(chǎn)生隨機(jī)原子碰撞的超高溫產(chǎn)物。

與此同時(shí)，澳大利亞第一家聚變能源公司HB11 Energy表示，該公司“展示了一家私人公司在聚變反應(yīng)方面的世界第一'材料'數(shù)量，產(chǎn)生的聚變反應(yīng)比先前在同一設(shè)施進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)預(yù)期多出十倍”。

HB11 Energy的結(jié)果發(fā)表在同行評(píng)議的科學(xué)期刊《應(yīng)用科學(xué)》上，并證明了氫和硼-11使用高功率激光進(jìn)行非熱聚變。

一種激光產(chǎn)生磁場(chǎng)來固定等離子體，另一種以超高速將氫原子射入硼樣品中。

該公司指出，這種方法與迄今為止需要將氫同位素加熱到數(shù)百萬度的大多數(shù)其他聚變截然不同。

HB11 Energy公司的研究表明，其氫-硼能源技術(shù)現(xiàn)在距離在激光催化下實(shí)現(xiàn)凈能量增益只有四個(gè)數(shù)量級(jí)。

該項(xiàng)目在日本大阪大學(xué)的LFEX Petawat激光設(shè)施進(jìn)行，因?yàn)榘拇罄麃啗]有高功率激光設(shè)施。

HB11 Energy公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事總經(jīng)理Warren McKenzie博士評(píng)論了這一發(fā)展，說：“我們獨(dú)特的大規(guī)模清潔發(fā)電方法使用氫和硼-11之間的非質(zhì)子聚變反應(yīng)，不使用任何放射性燃料或產(chǎn)生無法控制的放射性廢物。大規(guī)模實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將改變行業(yè)規(guī)則，但要在本地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要進(jìn)行重大投資。”

HB11 Energy公司聲稱，它現(xiàn)在是聚變商業(yè)化競(jìng)賽的全球領(lǐng)跑者，在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火設(shè)施(NIF)也在努力演示激光驅(qū)動(dòng)聚變。

這些發(fā)展不僅有力地表明了人們對(duì)聚變行業(yè)的信心不斷增強(qiáng)，而且也表明了商業(yè)聚變?cè)诔掷m(xù)50年的聲譽(yù)窗口內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)的可能性。

根據(jù)FIA對(duì)私人聚變公司工作人員的調(diào)查，超過90%的人認(rèn)為，到2030年，聚變電力將為電網(wǎng)供電，超過80%的人相信，在類似的時(shí)間框架內(nèi)，聚變將在商業(yè)上可行。

作為聚變工業(yè)協(xié)會(huì)CEO的Andrew Holland說：“在世界迫切需要新清潔能源的時(shí)候，聚變正在走向商業(yè)化。隨著投資的加速，商業(yè)聚變?cè)谖磥矶陜?nèi)成為現(xiàn)實(shí)的可能性越來越大，這將為未來多年的繁榮、安全和保障奠定了基礎(chǔ)。”