等离子体离心机突破聚变瓶颈

总部位于San Francisco的初创公司Marathon Fusion利用其专有等离子体离心机技术，展示了同时分离和富集氢同位素与锂同位素的能力，取得了一项重大突破。这一成果使用单一、统一的硬件架构，解决了商业核聚变燃料循环中两个历来相互独立的关键瓶颈。

传统上，处理未燃烧氚尾气和富集锂原料需要完全不同的设施和化学方法。事实证明，单一电磁等离子体方法可以同时执行这两项任务，从而显著简化电站的工程设施规模。

在商业氘氚（D-T）聚变反应堆中，燃料循环管理十分复杂。Marathon Fusion的方法同时应对输入端和输出端的需求。在聚变电站运行期间，大部分氚（一种稀有且昂贵的氢同位素）尚未发生聚变便随尾气排出。Marathon的等离子体离心机利用交叉电场力和磁场力，驱动带电粒子进行超声速旋转。这会产生“差动抽气”效应，从尾气中选择性地过滤并回收氚，使所需氚库存量和流量降低至原来的1/10或更低。

美国能源部（DOE）于6月发布的《聚变科学与技术路线图》将氚处理列为一项核心挑战，并指出：“这一领域的进展对于实现持续的DT运行……以及证明聚变作为大规模能源来源的可行性至关重要。”

为了持续运行，聚变电站必须使用中子轰击锂“覆盖层”，自行增殖氚。然而，这需要高度富集的锂-6，而其供应链目前由外国来源主导，被视为该行业的高风险瓶颈。同一台等离子体离心机可富集锂-6，从而保障用于氚增殖的原料在美国国内供应。

“Marathon在同位素分离方面取得的成果令人印象深刻，对聚变行业也十分重要。通过实现选择性氚抽气，其技术能够提升聚变电站性能，同时大幅减少所需氚库存量。”MIT核科学与工程教授Dennis Whyte表示，他的研究量化了选择性抽气对聚变燃料循环的影响。“他们的方法还可能改进锂同位素分离，而这是提高聚变电站氚生产效率的一项关键工艺。锂同位素分离既是Marathon近期的机遇，也会随着聚变能源的部署发展至巨大规模。”

UC Berkeley核工程杰出教授、Marathon Fusion顾问Per F Peterson解释称，锂同位素分离还有更广泛的应用。“核工程师一直在寻找一种理想冷却剂，以便在低压和高温条件下传递大量热量。单从热容量角度来看，答案是名为FLiBe的熔盐。这种由氟化锂和氟化铍组成的熔融混合物中，原子的排列密度几乎与固体石墨一样高。在液体中，每个原子储存的热量近乎相同，因此，FLiBe具有所有核冷却剂中最高的体积热容量，同时还拥有极强的中子阻滞能力。”

他补充说：“问题在于，用于聚变的FLiBe所含锂必须进行锂-6同位素富集，而用于裂变时则必须进行锂-7同位素富集。目前，全球每年生产的富集锂不足1吨，所采用的汞基工艺如今仅在俄罗斯和中国使用。要实现全球所需的太瓦级部署，将需要数十万吨采用清洁锂富集技术生产的富集锂投入使用。”

在DOE于3月启动、规模为1500万美元的ARPA-E VISION OPEN计划支持下，Marathon目前正将重点转向建设首座商业示范设施，以扩大该技术规模，服务于吉瓦级聚变部署。Marathon获得了363万美元资助，是该计划支持的仅3家私营聚变公司之一。这笔资助计划支持该团队至2029年3月，重点是实现“差动抽气”，从未燃烧等离子体中清除杂质，同时分离用于燃料增殖覆盖层的锂同位素。

Marathon Fusion的资金总额约为1800万美元。ARPA-E基于早期里程碑的验证发挥了重要催化作用，使该公司得以从Breakthrough Energy Fellows、1517 Fund和Anglo American等主要机构获得关键私人资本。

Marathon的实验结果与其计算模型高度吻合，验证了基础理论，并使预测建模能够为后续系统的设计提供依据。在实现等离子体离心机里程碑后，Marathon Fusion正从实验室规模的概念验证试验转向商业化扩产。该公司正在筹集资金建设首座商业示范设施，计划于2028年前部署，并着眼于到2029年实现全面商业化生产。

即将建设的示范设施旨在超越科学验证阶段，展示一条能够服务于更广泛聚变市场的高通量供应链。到2029年将示范技术扩展至首座全面商业化设施后，该公司的目标是每年生产数十吨富集锂-6，其原料产量足以每两年满足一座新建吉瓦级聚变电站氚增殖覆盖层的需求。该系统还被设计为每年回收、纯化和重新利用约560千克氚。

Marathon将自身定位为生态系统供应商，制造处理反应堆尾气和燃料供应所需的高通量处理系统。该公司并未建设用于发电的聚变示范反应堆，而是在建设一座商业制造厂，即示范燃料处理与同位素分离工厂。该设施将布置多排专有等离子体离心机和金属箔泵。

其任务是生产原料，即将锂原料富集为锂-6，直接出售给聚变公司，用于其氚增殖覆盖层。该设施还将试验组件，以证明其设备能够处理模拟吉瓦级反应堆尾气的高强度、高通量流量，随后再将硬件交付给客户。通过这种方式，Marathon计划在合作伙伴建成聚变电站之前，向行业其他企业出售关键材料以获得收入。Marathon Fusion成立于2023年，由Kyle Schiller（CEO）和Adam Rutkowski（CTO）共同创立。Schiller曾在Tom Kalil领导下担任Schmidt Futures科学政策研究员。他此前负责举办Fusion Entrepreneurship Workshop，并在Airbnb和Zenysis建设机器学习与分析基础设施。Rutkowski曾任SpaceX推进工程师，目前是Princeton University等离子体物理学博士研究生。