美国三家聚变企业取得新进展

美国能源部公私合作“基于里程碑的聚变开发计划”的三家参与企业近日分别报告了新进展。Xcimer Energy、Zap Energy和Commonwealth Fusion Systems是美国能源部2023年选定的八家公司中的三家，这些公司将在5～10年内开发聚变示范电站设计，并解决相关科学和技术挑战。

“里程碑计划”的目标是通过有针对性的公私合作投资，推动由私营资本资助的聚变公司加快实现商业可行性；相关投资与经过独立核实的技术和商业“里程碑”挂钩。

Xcimer Energy：作为美国能源部“里程碑计划”中研究惯性约束概念的两家公司之一，Xcimer宣布已最终敲定一项协议：在成功完成某些预先商定的技术和商业化成果并获得独立核实后，公司将获得最高3050万美元的“里程碑计划”追加资金。

这些成果与该公司为商业聚变电站开发准分子激光系统有关。Xcimer表示，与传统惯性聚变方案使用大量固体激光束和昂贵光学部件不同，其系统以“具有成本效益的气体激光器、耐用的气体光学系统以及双束线配置为基础，旨在以经济的方式重复提供兆焦耳级激光能量”。

Xcimer联合创始人兼首席执行官Conner Galloway在谈及这项新资金协议时表示：“我们已经从证明物理原理可行，转向建设能够使聚变成为商业能源的工业技术。这笔追加里程碑资金为我们加快相关工作提供了另一项有力机制，同时使大部分投资和风险仍由私营部门承担。”

该公司希望其基于准分子激光器的聚变系统在21世纪30年代中期具备向电网供电的能力。随着公司推进其激光聚变架构并扩大高能激光开发计划，以实现这一目标，公司此前已于今年宣布多项进展。

例如，Xcimer于6月启动其Phoenix原型系统的运行，并将其称为“全球最大的私人拥有激光系统，展示了Xcimer准分子激光器和气体光学架构的关键要素”。同样在6月，美国能源部批准了该公司Athena商业电站架构的前概念设计和技术路线图里程碑。

Zap Energy：作为美国能源部“里程碑计划”中开发不属于既有聚变约束类别的“创新型”电站概念的两家公司之一，Zap宣布，美国能源部已批准两项电容器开发里程碑：一是按照聚变电站的重复频率和运行寿命要求设计的脉冲功率电容器；二是完全由该公司设计、制造和试验的首台原型电容器。Zap表示，实现这两项里程碑表明，“长寿命电容器设计以及在美国本土大规模生产这些部件所需的制造能力均取得了进展”。

该公司一直在开发一种称为“剪切流稳定Z箍缩”的脉冲功率聚变技术。据其介绍，该技术“利用电脉冲压缩一条长约50厘米的等离子体柱。随着等离子体受到压缩，受到精确控制的轴向流可稳定箍缩，从而达到聚变所需的温度和压力”。

新获批准的脉冲功率电容器设计为一款35 kV主动冷却电容器，额定峰值电流为50000安培，预计可持续工作60亿次脉冲。Zap表示，该电容器“采用自愈式金属化聚丙烯薄膜，这种薄膜会逐渐退化，而不是直接失效；同时，每个绕组内的多个电容器单元采用串联方式，使薄膜仅承受端电压的一小部分”。

美国能源部批准的原型产品是一款紧凑型、重2.8磅的环氧树脂灌封电容器，其设计采用与另一款获批电容器相同的多单元绕组方案。该产品由公司内部开发、组装和试验，在8 kV和超过7000安培的条件下完成了数百次循环，其电容量在整个试验期间保持稳定，变化幅度不超过0.25%。

Zap首席执行官Zabrina Johal指出：“商业聚变不仅需要实现聚变条件，还要求聚变堆芯周边技术能够以电站规模可靠、重复地运行。脉冲功率就是其中一项关键使能技术。这些里程碑表明，我们在商业聚变电站所需的长寿命、高重复频率系统方面取得了进展，同时也在美国建设生产这些系统的制造能力。”

Commonwealth Fusion Systems：CFS是以磁约束托卡马克聚变开发商身份参与美国能源部“里程碑计划”的公司之一。该公司报告称，美国能源部已选定其作为政府Genesis任务中唯一牵头项目的私营企业。该任务通过国家实验室、产业界和学术界之间的合作，将人工智能应用于能源生产、科学研究和国家安全。

CFS牵头的项目重点是开发人工智能赋能的数字孪生平台，以优化该公司SPARC聚变原型装置的运行。该装置目前正在马萨诸塞州（Mass.）的Devens组装。该公司表示，预计SPARC将“首次实现具有商业意义的聚变净能量演示，并为CFS建设和优化ARC商业聚变电站铺平道路”。ARC是计划中的SPARC后继项目。

该项目将使用美国能源部的超级计算机处理聚变数据、强化人工智能工具，并推进此前由CFS、Nvidia Corporation和Siemens启动的数字孪生可视化工作。CFS表示，该项目将包括“建设连接美国能源部计算资源的软件基础设施；构建人工智能赋能数字孪生所需的训练数据集和人工智能代理模型；训练供基于人工智能的SPARC运行副驾驶使用的强化学习和智能体人工智能模型；以及建设能够加快运行的数据可视化流程”。

CFS预计，人工智能赋能的数字孪生将“通过支持在SPARC控制室内快速迭代”，帮助加快商业聚变部署。

CFS联合创始人兼首席科学官Brandon Sorbom表示，该项目“将把美国聚变界数十年来开展的研发工作转化为可用于加快SPARC运行的工具。我们的人工智能和聚变领域公私部门领军团队将能够共同整合并应用美国数十年的研究成果，应对聚变行业面临的一些重大挑战”。