Thea Energy完成聚变电站预概念设计
摘要
Thea Energy公司完成了Helios聚变电站的预概念设计，该系统采用平面线圈仿星器架构，可提供400兆瓦净电力输出。公司计划在2030年代投入运行，其设计结合了软件控制的磁体系统和创新的偏滤器排气方案。该成果是DOE里程碑计划的一部分，旨在推动聚变技术的商业化进程。
聚变技术公司Thea Energy宣布已完成其聚变电站的预概念设计。该公司成立于2022年，是普林斯顿等离子体物理实验室和普林斯顿大学的衍生企业，目前正推进其Helios系统中的仿星器技术。
Thea Energy于12月15日表示，这一里程碑是提交给美国能源部(DOE)的综合全面预概念设计研究的一部分，属于基于里程碑的聚变发展计划。关于该系统的首篇论文——《Helios设计概述：实用的平面线圈仿星器聚变电站》——详细描述了一种结合了软件控制磁线圈的系统，这些线圈能够适应现实条件。论文还概述了世界上首个能够进行聚变功率运行的仿星器“偏滤器”排气系统，以及基于扇区的维护方案，以确保电站的长期可行性。
这篇论文已作为预印本发布在公司网站的“演示与出版物”栏目中，并可通过arXiv获取。公司已将该论文提交给同行评审期刊，同时提交了详细描述特定电站子系统的其他手稿。作为DOE里程碑计划的一部分，入选公司致力于展示关键技术并设计电站，为商业化做准备。这份报告标志着Thea Energy在该计划初始阶段最后一个主要里程碑的完成。
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Thea Energy表示，它正在利用计算和控制方面的突破来重塑仿星器，这是一种磁约束聚变技术形式。该公司在经过详细的择优评审过程后，被选为美国DOE基于里程碑的聚变发展计划的首批获奖者。Thea Energy目前正在设计其首个一体化聚变系统Eos，该系统基于其平面线圈仿星器架构，将大规模、稳态地产生聚变中子。
[图片：这是Helios聚变电站的渲染图。来源：Thea Energy]
Helios设计为连续运行，向电网提供约400兆瓦的净电力，总热输出为1.1吉瓦。Helios的主半径为8米，使其成为最紧凑的优化仿星器电站架构。Helios电站架构中使用的所有归一化等离子体参数均已在现有的大型仿星器系统中实现。
“Helios不依赖未来的科学突破，”Thea Energy联合创始人兼首席技术官David Gates博士说。“Helios旨在将仿星器的固有优势——稳态运行、无破坏性失稳风险和高效率——与可编程的平面磁体相结合。这是仿星器商业化的演进。我们的专有架构可以使用软件堆栈单独控制数百个磁体来配置仿星器磁场，同时考虑到制造和装配误差以及系统在其运行寿命期间的磨损。这也独特地使我们的电站架构能够利用人工智能来提高性能并应用长期的软件级系统更新。”
Thea Energy电站的亮点包括：
Thea Energy联合创始人兼首席执行官Brian Berzin表示：“聚变将永远改变人类，但可大规模制造、具有成本竞争力且连续运行的系统对于大规模部署这种丰富的能源形式至关重要。Helios预概念设计正在加速Thea Energy电站的商业合作伙伴关系和首批客户的形成，这是我们组织几乎每个成员工作的成果。现在，这个由80多名熟练工程师、科学家和商业化专家组成的团队正在倡导一种可维护和动态可控的仿星器聚变系统的领先方法。”
Thea Energy正按计划在2030年代运营Helios，紧随其后的是其大规模示范系统Eos，该系统将使用公司简化的架构产生与电站相关的稳态聚变。公司表示，Eos将直接受益于Thea Helios设计的突破，并计划在2030年前上线。Thea Energy目前正与五个州就Eos的选址进行洽谈；预计将在2026年宣布该一体化系统的选址。
哥伦比亚大学应用物理与应用数学副教授Carlos Paz-Soldan博士表示：“Thea Energy的设计在构建仿星器的传统方法上提出了几项重大创新。平面线圈更容易制造，有望降低整体系统复杂性。它们还为该概念提供了新的灵活性并便于电站维护。其他创新包括功率处理方案，其中首次在仿星器电站设计中发现了与常规托卡马克解决方案密切相关的拓扑结构。我祝贺团队出色地完成了这项工作。我和我的同事们期待与Thea Energy团队就此设计进一步合作，以实现对仿星器的持续改进。”
“Thea Energy是那种难以忽视的创新机遇，”Lowercarbon Capital的聚变合伙人Scott C. Hsu博士说。“该公司的架构是模块化、可编程且具有成本效益的——这三重优势使其走上了可扩展的商业化聚变之路。Thea Energy的设计使其首个电站Helios建造成本更低，后续电站复制成本也更低。我们赞赏公司的资本效率与其科学透明度相结合。值得注意的是，Thea Energy是DOE里程碑计划的获奖者之一，他们正认真应对一体化预概念设计，我们很自豪投资了他们，以帮助将这一架构推向市场。”
DOE普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)研究副主任Jonathan Menard博士表示：“Thea Energy使用在PPPL和DOE的NERSC超级计算机上运行的高保真代码对Helios等离子体进行了建模。该公司模拟了仿星器聚变电站最重要的性能指标，包括湍流输运、聚变产物约束、磁流体动力学(MHD)稳定性和等离子体排气。
“这些模拟包括了对该领域真正新颖的贡献：首个高性能仿星器中的类托卡马克X点偏滤器，以及首个提议使用M3D-C1 MHD演化代码来预测达到所需条件的仿星器电站系统设计，”Menard说。“Thea Energy受益于PPPL等机构数十年的基础研究和模拟工具开发，以推动技术前沿，我们期待在公司推进过程中，在电站设计、工程和制造方面继续合作。”
——Darrell Proctor是POWER的高级编辑。