1、聚變商業(yè)化

First Light Fusion已經研發(fā)出射彈技術的聚變反應(照源：First Light)

雖然尚未成為現(xiàn)實，但如果看聚變技術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，但根據一些估計，產生第一個等離子體現(xiàn)在預計要到2027年。

目前的時間表預計2025年產生第一個等離子體，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。

理事會已經啟動了一個挑選繼任總干事的進程，新的時間表預計將于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月交付了測試設備，以確認并證明ITER測試包層模塊(TBM)的安全性。

包層是構成聚變反應堆內壁的部件之一，是一個關鍵部件，可提取反應堆產生的熱量，并提供用作燃料的氚的自我維持繁殖。

為了證明聚變技術的可行性，ITER的建設于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)過程中普遍預計會遇到延誤。

盡管如此，ITER已經完成了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、電磁學、低溫學和機器人等不同領域需要工程創(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，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)內操作。

獲得專利的DEMO snake將在聚變反應堆內的危險環(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)境中的遠程應用”計劃(RACE)，是EUROfusion演示(DEMO)聚變計劃的一部分。預計將是ITER項目的后續(xù)項目。

UKAEA的首席機械設計工程師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的關鍵部分，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——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。

板內屏蔽

STEP反應堆建筑的剖面圖(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(STEP)反應堆開發(fā)板內屏蔽設計，該反應堆是UKAEA的原型聚變裝置。

該項目涉及階梯式聚變反應堆中心柱內的極端環(huán)境，其中等離子體中的溫度可能超過1億℃，超導磁體低溫系統(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。

概念反應堆設計預計在2024年完成，首次運行預計在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

系統(tǒng)、工程和技術咨詢公司弗雷澤·納什(Frazer Nash)對UKAEA進行了可行性研究，將其轉化為氫同位素分離技術，這也是STEP計劃的一部分。

所謂的生存能力和光學技術研究，將探索一種稱為熱循環(huán)吸收過程(TCAP)的技術，用于分離和回收钚、氘和氚。

集成測試設施

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

獨特的集成測試設施(UNITY)將測試熱量提取和燃料循環(huán)系統(tǒng)，使公司能夠將資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)的電廠設計所需的。

預計將于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堆的開發(fā)。

4、聚變發(fā)展突破

英國原子能機構(UKAEA)已經獨立驗證了First Light Fusion已經實現(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)聚變融合。

First Light旨在用盡可能簡單的機器及其拋射技術解決聚變能量問題。

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，物理風險更低。

First Light沒有使用復雜且昂貴的激光器或磁體來產生或維持聚變所需的條件，而是使用其兩級超高速氣槍，向含有聚變燃料的目標發(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的關鍵技術是目標設計，它將彈丸的能量集中，將燃料內爆到使聚變發(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，燃料在內爆時加速到每秒70公里以上，通過我們專有的先進目標設計，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的動力裝置設計涉及將目標落入反應室，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的聚變結果公布之前對其進行分析和驗證，并確認有證據表明First Light產生的中子與氘燃料聚變產生的中子一致。

牛津大學螺旋輸出(University of Oxford spin out)憑借其相對簡單的設備(大部分由現(xiàn)成的組件構建)，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——在該實驗中產生的能量比投入的能量多。

First Light預計將與現(xiàn)有電力生產商合作，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，探索下一階段科學和商業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。

5、氫-硼能源技術

HB11的聚變過程是精確的，而不是希望產生隨機原子碰撞的超高溫產物。

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方面的世界第一'材料'數量，產生的聚變反應比先前在同一設施進行的實驗預期多出十倍”。

HB11 Energy的結果發(fā)表在同行評議的科學期刊《應用科學》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百萬度的大多數其他聚變截然不同。

HB11 Energy公司的研究表明，其氫-硼能源技術現(xiàn)在距離在激光催化下實現(xiàn)凈能量增益只有四個數量級。

該項目在日本大阪大學的LFEX Petawat激光設施進行，因為澳大利亞沒有高功率激光設施。

HB11 Energy公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事總經理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之間的非質子聚變反應，不使用任何放射性燃料或產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)化競賽的全球領跑者，在美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施(NIF)也在努力演示激光驅動聚變。

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年的聲譽窗口內成為現(xiàn)實的可能性。

根據FIA對私人聚變公司工作人員的調查，超過90%的人認為，到2030年，聚變電力將為電網供電，超過80%的人相信，在類似的時間框架內，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。”