核聚变商业化进程加速

摘要

全球多家公司正积极推进核聚变能源商业化，采用不同技术路线。CFS利用高温超导磁体建造SPARC聚变装置；Type One Energy与田纳西河流域管理局合作在退役燃煤电站建设原型仿星器；Thea Energy开发平面磁体阵列技术；TAE Technologies计划今年建设50兆瓦聚变电站；Helion Energy采用氘-氦-3燃料直接发电；Tokamak Energy创下多项性能记录；ITER国际项目持续建设中。这些进展标志着核聚变从实验向商业化迈出重要步伐。

世界各地的科学家们正在通过不同技术路线取得进展，努力实现商业核聚变能源的落地。

长期以来，关于核聚变的讨论大多围绕其承诺展开，即创造无限能源的潜力。然而，这一所谓的清洁能源"圣杯"的现实情况是，它始终遥不可及，科学家们长期以来无法从聚变反应中获得显著的"净能量增益"——即能量输出显著超过产生该反应所需能量。

这种情况正在改变。得益于法国多国合作的ITER(国际热核实验反应堆)等项目，以及美国实验室的研究，包括2022年成为首个实现"点火"的加州国家点火装置(NIF)，进展正在取得。"点火"是指核聚变反应达到自持状态，产生的能量超过启动和维持它所需的能量，从而产生净能量增益——换句话说，聚变反应产生的能量超过了引发它所需的能量。

多家公司参与了与聚变相关的研究和开发项目；对许多公司而言，目标是建造商业规模的聚变电站。这些团体中的几个已向POWER提供了他们在聚变领域进展的信息，详细介绍了将给发电行业带来重大变革的项目。

Commonwealth Fusion Systems

总部位于马萨诸塞州的Commonwealth Fusion Systems(CFS)在商业聚变能源领域引起了广泛关注。行业专家表示，多年的全球研究已确定基于托卡马克的构型是实现聚变的最高性能方法。迄今为止建造的许多托卡马克体积庞大；CFS采取了一种不同的方法，"利用与麻省理工学院合作开发革命性的高温超导[HTS]磁体，建造更小、成本更低的托卡马克聚变系统"，据该公司称。

CFS正在制造这些磁体，并正在建造其所谓的"世界上第一个具有商业相关性的净能量聚变机器，名为SPARC"。该公司表示，SPARC(图1)将为世界上第一个聚变电站ARC铺平道路，ARC被设想为在Dominion Energy Virginia支持下位于Virginia州的电网规模聚变电站。CFS表示正在"设计、建造和规模化聚变电站，以提供成本竞争力强、清洁的聚变能源来应对气候变化。"

[图片：1. Commonwealth Fusion Systems正在其位于马萨诸塞州Devens的园区建造SPARC聚变机器。来源：Commonwealth Fusion Systems]

CFS参加了1月份在内华达州拉斯维加斯举行的CES活动。CES——长期以来被称为消费电子展，是世界上最大的技术活动之一——近年来包含了越来越多的能源技术内容。Commonwealth Fusion Systems联合创始人兼首席执行官Bob Mumgaard在会议上与西门子公司首席执行官Roland Busch进行了炉边谈话，作为开幕主题演讲的一部分。

Mumgaard在拉斯维加斯宣布，CFS将与芯片制造商NVIDIA和西门子合作开发其SPARC聚变机器的数字孪生。这些公司表示，他们的工作将应用人工智能(AI)、数据和项目管理工具，以加速商业聚变。NVIDIA首席执行官Jensen Huang在其主题演讲中重申，他的公司希望沉浸在所谓的"AI工厂"中，提供各种技术——蓝图、硬件、操作系统——以确保AI的未来走上正轨。这将包括支持为AI提供动力所需的能源。

"CFS将能够使用NVIDIA和西门子开发的数字基础设施，将多年的手动实验压缩为几周的虚拟优化"，Mumgaard说。"通过这次合作，我们展示了AI和集成数字工程如何加速从设计到电网电力的进展。这将使我们能够改变在商业聚变竞赛中建造和运营聚变机器的方式。"

Mumgaard在活动前表示："CES是未来首先出现的地方。来到这里标志着聚变正在进入技术的主流。聚变关乎希望——建设一个承诺能源丰富的未来，有朝一日将为CES展示的所有创新提供动力。"

该公司首席营销官Joe Paluska表示，该公司在CES上展示其SPARC技术标志着一个里程碑。"我们希望每个人，不仅仅是物理学家，都能感受到被邀请进入商业聚变能源的故事。这就是为什么我们很高兴让聚变出现在那些思考下一件大事的人所在的地方"，Paluska说。

CFS已经使用西门子的数字工具来提高其制造过程的效率和在马萨诸塞州Devens的磁体工厂的运营。CFS于2025年12月完成并交付了其第一个超强磁体，该公司称这是"多年工作开发和制造将聚变能源接入电网的基础技术的顶峰。"

这个24吨重的钢包磁体被从CFS在Devens的园区移动到SPARC设施。它是SPARC所需的18个D形环形场(TF)磁体(图2)之一。该公司的首席科学官兼联合创始人Brandon Sorbom在公司博客文章中评论了这一里程碑的重要性，指出了从想法到原型，从初始制造到全面生产的进展。

[图片：2. 一名工人正在组装Commonwealth Fusion Systems在其SPARC聚变机器中使用的一个磁体。来源：Commonwealth Fusion Systems]

"我们不仅仅制造了一个磁体。我们建立了一个完整的制造设施，可以制造许多许多磁体"，Sorbom说。"我们学会了如何建立工厂并高速运行。全速前进！"

SPARC和ARC采用三种类型的HTS磁体：环形场(TF)、极向场(PF)和中心螺线管(CS)。该公司使用NINT技术(非绝缘、非扭曲构造)建造其TF磁体，该技术将多层HTS带容纳在扁平钢板中的螺旋槽内。该公司将这些板称为"薄饼"，16个薄饼的堆叠形成一个TF磁体。"基本上，NINT使我们能够更快地建造更强、更小的磁体"，Sorbom说，指出NINT路径之所以可用是因为SPARC的TF磁体以稳定的电流运行。