托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。在探索可控核聚变的过程中,不仅有中国的EACT人造太阳,美国的NIF国家点火计划,以及国际热核聚变实验堆(ITER)这样的国际合作项目,也活跃着一批民间企业,致力于可控核聚变的小型化和商业化。近年来,欧美国家聚变能相关创业(CFS、TAE等)和投资方 (Google、淡马锡、老虎基金等)越发活跃,快速参与聚变能研发。在中国,能量奇点、陕西星环聚能科技有限公司也是最近两年先后成立的聚焦聚变能开发的商业公司。
核聚变简单来说就是在超高温或高压条件下,把两个较轻的原子核结合,形成一个较重的原子核(和一个极轻的原子核)的过程。这个过程会以极高的效率释放巨大的能量,而且污染小、效率高,一旦做到“可控”,能创造巨大的能源价值。太阳的原理就是核聚变反应,所以可控核聚变也被俗称为“人造太阳”。
据世界能源展望,未来化石能源(包括天然气和煤炭)如果逐渐退出全球市场,到2050年人类会面临超过10%的能源空缺。这就给核聚变能源发展提供了一个大机遇,同时也是一个巨大的挑战。不管是采用磁约束路线的ITER项目,还是采用惯性约束路线的美国NIF项目,都显得过于庞大。其高昂的成本、漫长的建造过程和其他挑战,让一些专家预测核聚变技术需要几十年的时间才能取得规模性的商业运用。以国际合作项目ITER为例,其耗资高达 220 亿美元,全球 40 多个国家参与,包括超过100万个组件、上千万个零件。
因此,国际聚变界也希望在原有的磁约束和惯性约束的基础上,持续探索新的技术路线。郭后扬介绍,新的路线主要是有两种路径:一个是先进磁约束方式,传统的磁约束方法主要依靠环形磁场系统来提高等离子体的稳定性,包括托卡马克、仿星器和反场箍缩等,其问题在于装置规模过大,所需建造和运营成本过高。所以,如何降低成本,并使磁约束系统高效且紧凑,是该路径面临的首要挑战。
另一个路径是简化磁约束方式,指没有环向场线圈的较简单磁约束系统,包括场反位形、球马克,以及磁惯性约束系统(MIF)等。该路径还不够成熟,需要进行进一步的基础物理研究,以显著提升高温等离子体的约束性能。
近年来,聚变能研发的进展实现了指数级上升,其中最成熟的磁约束方式是托卡马克。托卡马克长得就像一个甜甜圈一样,它依靠复杂的磁场系统来进行约束,从聚变性能来说是其他方式的2-4个数量级。但是托卡马克面临的问题是它的系统非常庞大复杂,建造成本很高。
郭后扬介绍,得益于最新的技术方面的突破,使得发展经济型托卡马克成为可能。首先是高温超导这种颠覆性技术,可以减小建造与运行费用。2021年9月,美国聚变商业公司CFS和MIT宣布成功研制出全球首个基于高温超导材料的聚变装置磁体并通过测试,磁场强度达20特斯拉。其次是先进的托卡马克,实现高性能稳态运行。高温超导托卡马克最大的特点就是高密度,当密度提升到一定程度之后,可以在持续提升密度的情况下持续提升能量。“先进托卡马克为高密度稳态运行打开了一条崭新的渠道。”郭后扬说。
在出任能量奇点CEO之前,郭后扬曾经担任美国新型核聚变能源研究开发公司TriAlphaEnergy首席科学家,首席实验战略家,实验运行部主任。他也曾任ITER科学技术委员会成员,中国磁约束专家组成员。TriAlphaEnergy的技术路线是以氢硼混合物作为燃料,这种技术路线不会产生中子,避免了中子引起的破环性,解决了传统聚变发电技术的一大难点。获得了谷歌公司、微软联合创始人PaulAllen、洛克菲勒家族等大佬的资助。
发展聚变能有三要素,即聚变条件、经济性和稳态运行。郭后扬介绍,他们采用的技术路线可以实现聚变发电低功耗稳态运行。而先进托卡马克,80%-90%的电流可以由等离子体自发产生,就可以使稳态运行成为可能。在紧凑型的托卡马克当中,降低外部加热及电流驱动需求,减少循环功率,提升聚变能增益,使得装置尺寸更小,建造和运行成本更低。在他们即将建成的先进托卡马克聚变堆中,强磁场、高约束、紧凑型同时可以达到。
另外,他们还将采用人工智能技术,加速实现聚变能源商业化。郭后扬说,人工智能可以帮助克服聚变堆的关键科学技术挑战,极大节约聚变试验的时间和成本,加速推动聚变研究进程。首先是与先进托卡马克相结合,预测先进运行模式,提升等离子体性能。二是与先进控制相结合,改善聚变装置运行稳定性,预防等离子体大破裂。三是与先进制造相结合,可以彻底改变聚变材料组件设计,保障聚变装置稳态运行。
能量奇点成立于2021年,是国内首家聚变能源商业公司。2023年4月,能量奇点完成近4亿元Pre-A轮融资,投资方包括ENLIGHTENMENT、米哈游、云和方圆、黑门股权基金等,本轮融资的资金将主要用于经天磁体和奇门系统研发。本轮融资完成后,公司累计融资近8亿元人民币。
郭后扬透露,目前能量奇点独立研发的“洪荒70”高温超导托卡马克装置正在按计划加工建造,预计于今年第三季度开始总装,年底建成运行。到2027年,能量奇点将设计、建造一个稳态、强磁场高温超导先进托卡马克“洪荒200”,实现等效氘氚聚变反应(Q ~ 2-10),全面验证并奠定可高效获取聚变能的科学技术基础。第三步是在2030年之后,建设示范电站。