核聚变技术近期的突破发展

在本综述中，我们将探讨聚变反应堆商业化道路上的所有最新发展。

1、聚变商业化

First Light Fusion已经研发出射弹技术的聚变反应(照源：First Light)

虽然尚未成为现实，但如果看聚变技术的私人投资水平情况，商业聚变的实现正越来越接近现实。

根据聚变行业协会(Fusion Industry Association)的《2022年全球聚变行业报告》，私人聚变公司的投资比去年翻了一番多。

在同一时期，成立了八家新的聚变方面的公司，总数超过30家。

作为投资者对聚变行业信心不断增强的一个迹象，六家公司目前已各自筹集了超过2亿美元的资金。

据报道，去年的亮点包括18亿美元用于联邦聚变系统(Commonwealth Fusion Systems)，5亿美元用于太阳神能源(Helion Energy)。

FIA表示，总体而言，私人聚变公司已宣布近50亿美元的集体融资，比2021的数字增加了约140%。

在美国，聚变的私人投资现在首次超过了国家支持的资金。尽管全球国家的资金仍高于私营部门，但国际热核聚变实验堆(ITER)项目仍然是国际努力的重点。

2、ITER近况

也许是世界上最著名的聚变项目，ITER的第一个等离子体，在全球新冠肺炎大流行的影响和一些出现的技术困难之后，现在将再次推迟。

虽然修订后的时间表尚未确定，但根据一些估计，产生第一个等离子体现在预计要到2027年。

目前的时间表预计2025年产生第一个等离子体，2035年开始使用氘-氚燃料。

新的时间表将在前总干事伯纳德·比戈(Bernard Bigot)去世后任命新总干事后最终确定。

理事会已经启动了一个挑选继任总干事的进程，新的时间表预计将于2023年春获得ITER理事会的批准。

尽管拖延，托卡马克聚变装置(在法国南部的圣保罗-莱斯杜兰斯建造)的完工进度仍在继续。

5月，等离子体室的九个子部分中的第一个，被提升到机井中。该段重约1,000吨，形成真空容器部分的一个40°弧。

它配备有热屏蔽和两个包含超导电磁体的环形场线圈。其他八个类似的组件将形成完整的腔室。

完成后，真空容器的直径将为19.4米，高度将为11.4米。它的内部容积为1400m3，可容纳840m3的等离子体，比目前最大在运托卡马克多10倍。

ITER最近实现了一个建设里程碑，将真空室的第一部分提升到位(图源：ITER)

最近，日本三菱重工株式会社(MHI)于7月交付了测试设备，以确认并证明ITER测试包层模块(TBM)的安全性。

包层是构成聚变反应堆内壁的部件之一，是一个关键部件，可提取反应堆产生的热量，并提供用作燃料的氚的自我维持繁殖。

为了证明聚变技术的可行性，ITER的建设于2010年首次开始，最初的第一个等离子体计划于2018年完成。

ITER预计不会发电，而这一由35个国家组成的独特国际项目，在开发过程中普遍预计会遇到延误。

尽管如此，ITER已经完成了75%以上，在过去的两年里，组件继续到达现场。每个成员都完成了在材料科学、电磁学、低温学和机器人等不同领域需要工程创新的一流组件。

3、超越ITER

激光焊接机器人

展望下一代聚变技术，英国原子能管理局(UKAEA)开发了一种激光焊接机器人snake，能够在聚变电站的管道系统内操作。

获得专利的DEMO snake将在聚变反应堆内的危险环境中远程操作，并在有限的通道中工作。

该项目还需要开发超声波传感器系统，以便在snake穿过管道时识别每个精确的工作位置。

这项耗资270万英镑(250万美元)的为期七年的项目，属于UKAEA的“挑战性环境中的远程应用”计划(RACE)，是EUROfusion演示(DEMO)聚变计划的一部分。预计将是ITER项目的后续项目。

UKAEA的首席机械设计工程师Tristan Tremethick解释说：“在聚变机中，由于危险环境，管道必须远程连接和断开。由于工作空间有限，DEMO中的管道工作极具挑战性。机器人是我们提供低碳聚变能源任务的关键部分，我们需要熟练地远程控制像这样的机器。这是因为它们将用于维护聚变能源发电厂。我们将无法让人进入，机器人将让他们继续运转——这是未来要求。”

RACE还开发了一种激光切割工具，其工作原理与焊接snake相同。

板内屏蔽

STEP反应堆建筑的剖面图(图源：UKAEA)

在英国其他地方，Cerberus Nuclear和Assystem正在为球形托卡马克能量生产(STEP)反应堆开发板内屏蔽设计，该反应堆是UKAEA的原型聚变装置。

该项目涉及阶梯式聚变反应堆中心柱内的极端环境，其中等离子体中的温度可能超过1亿℃，超导磁体低温系统中的温度范围可能低于-200℃，范围仅为几米。

Cerberus Nuclear和Assystem将在中心柱的板内屏蔽部分开发辐射屏蔽和冷却策略，以保护敏感的环形磁体。Cerberus旨在优化屏蔽，以最大限度地延长这些部件的使用寿命。

概念反应堆设计预计在2024年完成，首次运行预计在2040年代初。今年将从英国五个入围地点中选出一个开发地点。

氢同位素分离技术

系统、工程和技术咨询公司弗雷泽·纳什(Frazer Nash)对UKAEA进行了可行性研究，将其转化为氢同位素分离技术，这也是STEP计划的一部分。

所谓的生存能力和光学技术研究，将探索一种称为热循环吸收过程(TCAP)的技术，用于分离和回收钚、氘和氚。

集成测试设施

日本京都聚变有限公司还完成了一个综合测试设施的初步设计，用于测试聚变反应堆的发电系统。

独特的集成测试设施(UNITY)将测试热量提取和燃料循环系统，使公司能够将资源集中在聚变动力堆芯开发上。

UNITY将配备测试包层模块、液态金属和熔盐的主冷却回路、热交换器、氚回收系统和发电机。

它们将与测试分流器模块、氚泵和氚燃料循环系统集成。这些组件不仅是ITER之后的示范型电厂所需，而且也是私营部门正在开发的电厂设计所需的。

预计将于8月左右在日本开始施工，测试回路计划于2023年3月完成。计划在2025年底前完成完整的UNITY施工和随后的发电示范。

最近还进行了一些新型聚变反应堆的开发。

4、聚变发展突破

英国原子能机构(UKAEA)已经独立验证了First Light Fusion已经实现的聚变研究。这是第一次使用First Light开发的独特目标实现聚变融合。

First Light旨在用尽可能简单的机器及其抛射技术解决聚变能量问题。

First Light表示，射弹聚变是惯性聚变的一种新方法，更简单，更节能，物理风险更低。

First Light没有使用复杂且昂贵的激光器或磁体来产生或维持聚变所需的条件，而是使用其两级超高速气枪，向含有聚变燃料的目标发射射弹。

蓝色部分是电容器，用于存储加速弹丸所需的电荷。

First Light的关键技术是目标设计，它将弹丸的能量集中，将燃料内爆到使聚变发生所需的温度和密度。

First Light在一份声明中解释说：“弹丸在撞击前达到了每秒6.5公里的速度。First Light高度精密的目标聚焦于撞击，燃料在内爆时加速到每秒70公里以上，通过我们专有的先进目标设计，实现了速度的提高，使其成为当时地球上移动最快的物体。”

First Light的动力装置设计涉及将目标落入反应室，并通过同一入口向下发射射弹，因此它在正确的时刻赶上并撞击目标，并释放聚变能量脉冲。

这些能量被在腔室中流动的锂吸收，使其升温。流动的液体保护腔室不受巨大能量释放的影响，避免了其他聚变方法中一些最困难的工程问题。

最后，热交换器将锂的热量传递到水和常规蒸汽循环以发电。

UKAEA受邀在First Light的聚变结果公布之前对其进行分析和验证，并确认有证据表明First Light产生的中子与氘燃料聚变产生的中子一致。

牛津大学螺旋输出(University of Oxford spin out)凭借其相对简单的设备(大部分由现成的组件构建)，以不到4,500万英镑(5,850万美元)的成本实现了聚变。

First Light还声称，其性能改进速度比历史上任何其他聚变方案都快。

First Light进行的同行评审分析表明，射弹聚变提供了一条途径，可实现低于50美元/ MWh的极具竞争力的水平化能源成本(LCOE)，直接与可再生能源进行成本竞争。

“增益”实验的计划正在推进——在该实验中产生的能量比投入的能量多。

First Light预计将与现有电力生产商合作，在2030年代开发一个约150 MWe的试点电厂，成本不到10亿美元。

该公司已与瑞银投资银行(UBS Investment Bank)合作，探索下一阶段科学和商业发展的战略选择。

5、氢-硼能源技术

HB11的聚变过程是精确的，而不是希望产生随机原子碰撞的超高温产物。

与此同时，澳大利亚第一家聚变能源公司HB11 Energy表示，该公司“展示了一家私人公司在聚变反应方面的世界第一'材料'数量，产生的聚变反应比先前在同一设施进行的实验预期多出十倍”。

HB11 Energy的结果发表在同行评议的科学期刊《应用科学》上，并证明了氢和硼-11使用高功率激光进行非热聚变。

一种激光产生磁场来固定等离子体，另一种以超高速将氢原子射入硼样品中。

该公司指出，这种方法与迄今为止需要将氢同位素加热到数百万度的大多数其他聚变截然不同。

HB11 Energy公司的研究表明，其氢-硼能源技术现在距离在激光催化下实现净能量增益只有四个数量级。

该项目在日本大阪大学的LFEX Petawat激光设施进行，因为澳大利亚没有高功率激光设施。

HB11 Energy公司联合创始人兼董事总经理Warren McKenzie博士评论了这一发展，说：“我们独特的大规模清洁发电方法使用氢和硼-11之间的非质子聚变反应，不使用任何放射性燃料或产生无法控制的放射性废物。大规模实现这一目标将改变行业规则，但要在本地实现这一点，我们需要进行重大投资。”

HB11 Energy公司声称，它现在是聚变商业化竞赛的全球领跑者，在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火设施(NIF)也在努力演示激光驱动聚变。

这些发展不仅有力地表明了人们对聚变行业的信心不断增强，而且也表明了商业聚变在持续50年的声誉窗口内成为现实的可能性。

根据FIA对私人聚变公司工作人员的调查，超过90%的人认为，到2030年，聚变电力将为电网供电，超过80%的人相信，在类似的时间框架内，聚变将在商业上可行。

作为聚变工业协会CEO的Andrew Holland说：“在世界迫切需要新清洁能源的时候，聚变正在走向商业化。随着投资的加速，商业聚变在未来二十年内成为现实的可能性越来越大，这将为未来多年的繁荣、安全和保障奠定了基础。”