托卡馬克(Tokamak)是一種利用磁約束來實現可控核聚變的環形容器。在探索可控核聚變的過程中,不僅有中國的EACT人造太陽,美國的NIF國家點火計劃,以及國際熱核聚變實驗堆(ITER)這樣的國際合作項目,也活躍著一批民間企業,致力于可控核聚變的小型化和商業化。近年來,歐美國家聚變能相關創業(CFS、TAE等)和投資方 (Google、淡馬錫、老虎基金等)越發活躍,快速參與聚變能研發。在中國,能量奇點、陜西星環聚能科技有限公司也是最近兩年先后成立的聚焦聚變能開發的商業公司。
核聚變簡單來說就是在超高溫或高壓條件下,把兩個較輕的原子核結合,形成一個較重的原子核(和一個極輕的原子核)的過程。這個過程會以極高的效率釋放巨大的能量,而且污染小、效率高,一旦做到“可控”,能創造巨大的能源價值。太陽的原理就是核聚變反應,所以可控核聚變也被俗稱為“人造太陽”。
據世界能源展望,未來化石能源(包括天然氣和煤炭)如果逐漸退出全球市場,到2050年人類會面臨超過10%的能源空缺。這就給核聚變能源發展提供了一個大機遇,同時也是一個巨大的挑戰。不管是采用磁約束路線的ITER項目,還是采用慣性約束路線的美國NIF項目,都顯得過于龐大。其高昂的成本、漫長的建造過程和其他挑戰,讓一些專家預測核聚變技術需要幾十年的時間才能取得規模性的商業運用。以國際合作項目ITER為例,其耗資高達 220 億美元,全球 40 多個國家參與,包括超過100萬個組件、上千萬個零件。
因此,國際聚變界也希望在原有的磁約束和慣性約束的基礎上,持續探索新的技術路線。郭后揚介紹,新的路線主要是有兩種路徑:一個是先進磁約束方式,傳統的磁約束方法主要依靠環形磁場系統來提高等離子體的穩定性,包括托卡馬克、仿星器和反場箍縮等,其問題在于裝置規模過大,所需建造和運營成本過高。所以,如何降低成本,并使磁約束系統高效且緊湊,是該路徑面臨的首要挑戰。
另一個路徑是簡化磁約束方式,指沒有環向場線圈的較簡單磁約束系統,包括場反位形、球馬克,以及磁慣性約束系統(MIF)等。該路徑還不夠成熟,需要進行進一步的基礎物理研究,以顯著提升高溫等離子體的約束性能。
近年來,聚變能研發的進展實現了指數級上升,其中最成熟的磁約束方式是托卡馬克。托卡馬克長得就像一個甜甜圈一樣,它依靠復雜的磁場系統來進行約束,從聚變性能來說是其他方式的2-4個數量級。但是托卡馬克面臨的問題是它的系統非常龐大復雜,建造成本很高。
郭后揚介紹,得益于最新的技術方面的突破,使得發展經濟型托卡馬克成為可能。首先是高溫超導這種顛覆性技術,可以減小建造與運行費用。2021年9月,美國聚變商業公司CFS和MIT宣布成功研制出全球首個基于高溫超導材料的聚變裝置磁體并通過測試,磁場強度達20特斯拉。其次是先進的托卡馬克,實現高性能穩態運行。高溫超導托卡馬克最大的特點就是高密度,當密度提升到一定程度之后,可以在持續提升密度的情況下持續提升能量。“先進托卡馬克為高密度穩態運行打開了一條嶄新的渠道。”郭后揚說。
在出任能量奇點CEO之前,郭后揚曾經擔任美國新型核聚變能源研究開發公司TriAlphaEnergy首席科學家,首席實驗戰略家,實驗運行部主任。他也曾任ITER科學技術委員會成員,中國磁約束專家組成員。TriAlphaEnergy的技術路線是以氫硼混合物作為燃料,這種技術路線不會產生中子,避免了中子引起的破環性,解決了傳統聚變發電技術的一大難點。獲得了谷歌公司、微軟聯合創始人PaulAllen、洛克菲勒家族等大佬的資助。
發展聚變能有三要素,即聚變條件、經濟性和穩態運行。郭后揚介紹,他們采用的技術路線可以實現聚變發電低功耗穩態運行。而先進托卡馬克,80%-90%的電流可以由等離子體自發產生,就可以使穩態運行成為可能。在緊湊型的托卡馬克當中,降低外部加熱及電流驅動需求,減少循環功率,提升聚變能增益,使得裝置尺寸更小,建造和運行成本更低。在他們即將建成的先進托卡馬克聚變堆中,強磁場、高約束、緊湊型同時可以達到。
另外,他們還將采用人工智能技術,加速實現聚變能源商業化。郭后揚說,人工智能可以幫助克服聚變堆的關鍵科學技術挑戰,極大節約聚變試驗的時間和成本,加速推動聚變研究進程。首先是與先進托卡馬克相結合,預測先進運行模式,提升等離子體性能。二是與先進控制相結合,改善聚變裝置運行穩定性,預防等離子體大破裂。三是與先進制造相結合,可以徹底改變聚變材料組件設計,保障聚變裝置穩態運行。
能量奇點成立于2021年,是國內首家聚變能源商業公司。2023年4月,能量奇點完成近4億元Pre-A輪融資,投資方包括ENLIGHTENMENT、米哈游、云和方圓、黑門股權基金等,本輪融資的資金將主要用于經天磁體和奇門系統研發。本輪融資完成后,公司累計融資近8億元人民幣。
郭后揚透露,目前能量奇點獨立研發的“洪荒70”高溫超導托卡馬克裝置正在按計劃加工建造,預計于今年第三季度開始總裝,年底建成運行。到2027年,能量奇點將設計、建造一個穩態、強磁場高溫超導先進托卡馬克“洪荒200”,實現等效氘氚聚變反應(Q ~ 2-10),全面驗證并奠定可高效獲取聚變能的科學技術基礎。第三步是在2030年之后,建設示范電站。