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，但如果看聚變技術(shù)的私人投資水平情況，商業(yè)聚變的實現(xiàn)正越來越接近現(xiàn)實。

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

在同一時期，成立了八家新的聚變方面的公司，總數(shù)超過30家。

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

據(jù)報道，去年的亮點包括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，但國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目仍然是國際努力的重點。

2、ITER近況

也許是世界上最著名的聚變項目，ITER的第一個等離子體，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。

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

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

新的時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。

理事會已經(jīng)啟動了一個挑選繼任總干事的進程，新的時間表預(yù)計將于2023年春獲得ITER理事會的批準。

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)的完工進度仍在繼續(xù)。

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

它配備有熱屏蔽和兩個包含超導(dǎo)電磁體的環(huán)形場線圈。其他八個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，比目前最大在運托卡馬克多10倍。

ITER最近實現(xiàn)了一個建設(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社(MHI)于7月交付了測試設(shè)備，以確認并證明ITER測試包層模塊(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，最初的第一個等離子體計劃于2018年完成。

ITER預(yù)計不會發(fā)電，而這一由35個國家組成的獨特國際項目，在開發(fā)過程中普遍預(yù)計會遇到延誤。

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)到達現(xiàn)場。每個成員都完成了在材料科學(xué)、電磁學(xué)、低溫學(xué)和機器人等不同領(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)的危險環(huán)境中遠程操作，并在有限的通道中工作。

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

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

UKAEA的首席機械設(shè)計工程師Tristan Tremethick解釋說：“在聚變機中，由于危險環(huán)境，管道必須遠程連接和斷開。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，我們需要熟練地遠程控制像這樣的機器。這是因為它們將用于維護聚變能源發(fā)電廠。我們將無法讓人進入，機器人將讓他們繼續(xù)運轉(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，該反應(yīng)堆是UKAEA的原型聚變裝置。

該項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)計預(yù)計在2024年完成，首次運行預(yù)計在2040年代初。今年將從英國五個入圍地點中選出一個開發(fā)地點。

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UKAEA進行了可行性研究，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。

集成測試設(shè)施

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

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

UNITY將配備測試包層模塊、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。

它們將與測試分流器模塊、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)計所需的。

預(yù)計將于8月左右在日本開始施工，測試回路計劃于2023年3月完成。計劃在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

英國原子能機構(gòu)(UKAEA)已經(jīng)獨立驗證了First Light Fusion已經(jīng)實現(xiàn)的聚變研究。這是第一次使用First Light開發(fā)的獨特目標實現(xiàn)聚變?nèi)诤稀?/p>

First Light旨在用盡可能簡單的機器及其拋射技術(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，而是使用其兩級超高速氣槍，向含有聚變?nèi)剂系哪繕税l(fā)射射彈。

藍色部分是電容器，用于存儲加速彈丸所需的電荷。

First Light的關(guān)鍵技術(shù)是目標設(shè)計，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：“彈丸在撞擊前達到了每秒6.5公里的速度。First Light高度精密的目標聚焦于撞擊，燃料在內(nèi)爆時加速到每秒70公里以上，通過我們專有的先進目標設(shè)計，實現(xiàn)了速度的提高，使其成為當時地球上移動最快的物體。”

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

這些能量被在腔室中流動的鋰吸收，使其升溫。流動的液體保護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)果公布之前對其進行分析和驗證，并確認有證據(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)的成本實現(xiàn)了聚變。

First Light還聲稱，其性能改進速度比歷史上任何其他聚變方案都快。

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

“增益”實驗的計劃正在推進——在該實驗中產(chǎn)生的能量比投入的能量多。

First Light預(yù)計將與現(xiàn)有電力生產(chǎn)商合作，在2030年代開發(fā)一個約150 MWe的試點電廠，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)生隨機原子碰撞的超高溫產(chǎn)物。

與此同時，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)施進行的實驗預(yù)期多出十倍”。

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

一種激光產(chǎn)生磁場來固定等離子體，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現(xiàn)凈能量增益只有四個數(shù)量級。

該項目在日本大阪大學(xué)的LFEX Petawat激光設(shè)施進行，因為澳大利亞沒有高功率激光設(shè)施。

HB11 Energy公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事總經(jīng)理Warren McKenzie博士評論了這一發(fā)展，說：“我們獨特的大規(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)模實現(xiàn)這一目標將改變行業(yè)規(guī)則，但要在本地實現(xiàn)這一點，我們需要進行重大投資。”

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

這些發(fā)展不僅有力地表明了人們對聚變行業(yè)的信心不斷增強，而且也表明了商業(yè)聚變在持續(xù)50年的聲譽窗口內(nèi)成為現(xiàn)實的可能性。

根據(jù)FIA對私人聚變公司工作人員的調(diào)查，超過90%的人認為，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CEO的Andrew Holland說：“在世界迫切需要新清潔能源的時候，聚變正在走向商業(yè)化。隨著投資的加速，商業(yè)聚變在未來二十年內(nèi)成為現(xiàn)實的可能性越來越大，這將為未來多年的繁榮、安全和保障奠定了基礎(chǔ)。”