仿星器让核聚变商业化更简单？美国公司发展新型仿星器聚变反应堆

在小说《三体》中，星际飞船由核聚变能源所驱动，让我们看到了一个“未来的画面”，也看到了核聚变肩负着为人类提供无限清洁能源的使命。

在推动核聚变发展为商业发电厂的过程中，工程师们有一个“两难”的选择。

要么选择简单的设计，然后在运行过程中强迫等离子体保持运转，以防止它自行熄灭；要么选择一种颇具挑战，但能产生更理想的等离子体的复杂设计。

在磁约束核聚变的复杂设计中，颇具代表性的是仿星器（Stellarator），它是一种以模拟星球为目标的实验装置。

1951 年，著名物理学家、美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL，Princeton Plasma Physics Laboratory）的创始人莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）第一次提出了仿星器的概念。

但在当时，很多人都认为这种设计过于复杂，以 20 世纪中期的技术水平还不足以攻克相关难题。在当下，随着超导材料和其他新型材料的不断进步，科学家们开始重新思考仿星器的成为现实的可能性。

在托卡马克中，通过使用环形磁场来维持等离子体的稳定。强大的磁场限制可有效控制过热的等离子体，阻止它与反应堆壁接触，从而确保聚变反应的稳定和持续进行。

与托卡马克类似，仿星器也使用磁场来控制过热的等离子体。不同的是，仿星器通常具有扭曲的螺旋形状，类似于螺旋形或扭曲的“甜甜圈”。基于这种设计，它的磁场非常复杂，磁场线需要遵循复杂的螺旋路径。

1983 年，随着 PPPL 物理学家艾伦·布泽尔 (Allen Boozer) 提出准对称概念，人们对仿星器的理论理解发生了巨大转变。这一新范式使得设计具有类似于托卡马克约束特性的仿星器，在理论上成为可能。

仿星器有几个关键优势，例如提高反应装置的稳定性，保持其内部的超热气体足够稳定。对于未来的核聚变发电厂来说，仿星器理论上可以一直运行，而托卡马克则必须定期停下来重置磁线圈。

从产业化进展来看，以仿星器作为核聚变反应堆的公司，包括：法国的 Renaissance Fusion、美国的 Type One Energy、Thea Energy 和德国的 Proxima Fusion 等。

2015 年，来自德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所的研究人员，成功制备出全球最大的仿星器 Wendelstein 7-X（简称 W7-X）。

2018 年，W7-X 通过实验验证了仿星器优化的可行性，作为首台大型仿星器装置，使其在与托卡马克的竞争中具有优势。

2023 年，Proxima Fusion 公司从马克斯·普朗克等离子体物理研究所独立出来，并完成超过 2000 万美元的种子轮融资。

同样从著名核聚变实验室衍生而来的初创公司，还有 Thea Energy。

基于美国普林斯顿大学和 PPPL 多年来在核聚变技术的成果，前 PPPL 物理学家大卫·盖茨（David Gates）于 2022 年成立了 Thea Energy，他是该公司联合创始人兼 CTO。

Thea Energy 的前身名为普林斯顿仿星器（Princeton Stellarators），旨在利用仿星器物理和工程领域的最新突破，创造一种更快、更简单的方法来实现聚变能源的商业化。

（来源：Thea Energy）

需要了解的是，仿星器的三维复杂性意味着，需要强大的计算能力才能完全掌握它。

基于当下计算和控制系统的进步和发展，Thea Energy 利用平面和单独可控的电磁线圈阵列，通过将复杂的 3D 磁场转移到现代电子控制系统，这是一种从根本上简化仿星器系统的新模式，并且能够降低成本。

Thea Energy 的联合创始人兼 CEO 布瑞恩·贝尔津（Brian Berzin）对媒体说道：“我们的技术用更易于管理的小型磁铁阵列，取代了以复杂性和高成本而闻名的复杂 3D 磁铁线圈，从而简化了仿星器的设计。”

（来源：Thea Energy）

2023 年 5 月，美国能源部开展了一项名为“里程碑式聚变发展计划”的项目，并拨款 4600 万美元用于快速推动商业聚变能源发展的进程。

Thea Energy 作为 8 家公司之一，入选了这项发展计划（入选时名为 Princeton Stellarators）。

在入选项目中，Thea Energy 与美国加州大学圣地亚哥分校合作，将开发一种基于硼元素的可再生第一壁（反应堆的真空室壁），以能够从仿星器聚变装置中充分去除热量并回收氚。

今年 2 月，Thea Energy 公司完成了 A 轮融资，融资额 2000 万美元。

Prelude Ventures 领投了该轮融资，其他参投机构还包括：11.2 Capital、Anglo American、Hitachi Ventures、Lowercarbon Capital、Mercator Partners、Orion Industrial Ventures 和 Starlight Ventures。

据公开资料，该轮融资用于支持 Thea Energy 公司专有的超导平面线圈磁体阵列系统的建设和运营、大型集成中子源仿星器系统 Eos 的设计和模拟，以及团队的持续发展。

Eos 是中子源仿星器系统，能够进行商业运行，用于生产包括氚在内的各种同位素。

根据 Thea Energy 计划，该公司打算在 21 世纪末建造一座中试反应堆，并在 2040 年之前，建造一座更大规模的 350 兆瓦示范电厂。当其商业产品接入电网时，Thea Energy 希望能够实现发电价格每兆瓦时 50 美元。

其他以仿星器作为核聚变反应堆的公司融资进展方面，今年 7 月，Type One Energy 完成了超过 5000 万美元的新一轮融资，已累积种子轮融资超过 8500 万美元。

推动仿星器完全商业化落地还有诸多方面的挑战，但仿星器的优化和技术进步，为将聚变能源发展为商业发电厂的“两难”选择，或提供了一种“二者可兼得”的方案。

参考资料：

https://www.pppl.gov/news/2023/princeton-plasma-physics-laboratory-selected-collaborate-start-licenses-its-innovative

https://thea.energy/

https://www.science.org/content/article/twisty-device-explores-alternative-path-fusion

https://techcrunch.com/2024/02/08/thea-energy-series-a/

https://www.globenewswire.com/news-release/2024/02/08/2826013/0/en/Thea-Energy-Announces-20-Million-Series-A-Financing.html

https://www.globenewswire.com/news-release/2023/06/01/2680326/0/en/Princeton-Stellarators-Selected-for-U-S-Department-of-Energy-Milestone-Based-Fusion-Development-Program.html

https://www.globenewswire.com/en/news-release/2023/07/27/2712179/0/en/Thea-Energy-Selected-for-U-S-Department-of-Energy-Public-Private-Partnership-Award-Through-the-Innovation-Network-for-Fusion-Energy-Program.html

https://interestingengineering.com/innovation/nuclear-fusion-clean-energy-emissions

https://techcrunch.com/2024/07/30/bill-gates-backed-type-one-energy-lands-massive-seed-extension-to-commercialize-fusion-power/

支持：梦里不知

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