比尔·盖茨支持的核聚变初创公司在田纳西启动“未来反应堆”许可进程

美国新一轮核聚变能源探索在上月悄然翻开新篇章。由比尔·盖茨投资支持的初创公司 Type One Energy 已向监管机构提交首份建设许可申请，为在田纳西州建设一座恒星器实验核聚变反应堆迈出关键一步。

在过去六十年里，位于田纳西州克拉克斯顿的 Bull Run 火力发电厂依靠化石燃料为周边地区提供电力。该厂于去年正式退役，两座标志性的冷却烟囱在受控爆破中被拆除，不仅从天际线消失，也象征着田纳西州在高科技能源创新领域的新角色正在形成。 有报道称，这片旧火电厂场址有望迎来 “Infinity One”（无限一号）——一座用于约束温度高达一亿摄氏度等离子体的核聚变反应堆，其核心是复杂的磁线圈系统。

与当前更为公众熟知的托卡马克（tokamak）反应堆路径不同，Type One Energy 选择了恒星器（stellarator）路线。与托卡马克一样，恒星器同样利用磁场将环形等离子体圈悬浮在真空腔体中，但其磁线圈不再是相对简单的圆形或环形结构，而是经过精密设计的扭曲三维形状。 这种复杂磁几何带来的潜在优势是更稳定的等离子体约束，有望缓解困扰托卡马克装置多年的不稳定与“失稳”问题，但与此同时也极大提升了工程设计和制造难度。

Type One Energy 的一个关键技术方向，是在这些复杂线圈中使用高温超导磁体。公司正在开发模块化高温超导（HTS）磁体技术，使线圈在保持紧凑体积的同时承载极高电流、产生多特斯拉强磁场，并在恒星器所需的非平面复杂几何形状中稳定运行。 这些线圈将工作在低温条件下，通过将强磁场“压缩”在相对小的空间中，帮助控制装置的整体尺寸和成本。相关测试计划则集中在验证这些非平面 HTS 线圈能否承受下一代恒星器对机械应力和磁场强度的严苛要求。

在物理设计理念上，Type One Energy 采用所谓“准对称优化”（quasi-symmetry optimization）方法，即通过优化三维磁场结构，使带电粒子的运动轨道表现得好像处于更对称的磁场中，从而改善约束性能。 为实现这一点，团队依托高性能计算平台，包括国家实验室的百亿亿次（exascale）级超级计算机，进行大规模等离子体和静磁场仿真。 这些仿真结果被用于持续修正线圈形状、减少粒子输运损失，并为后续 Infinity Two 商用电站建立物理基础，同时在真正开工建造硬件前尽量降低技术风险。

按照规划，Infinity One 将成为这一路线的原型装置，后续则是在此基础上建设一座计划装机容量约 350 兆瓦电功率的示范电站——“Infinity Two”（无限二号），并配套建设面向当地的聚变人才培训中心。 Type One Energy 给出的目标时间表是：在 2029 年前后让原型装置实现运行，这在核聚变领域被视为颇具雄心的进度安排。

Infinity Two 的总体架构被设计为完整的试验性电站，将预留用于排出氦“灰”（聚变反应副产物）的偏滤器（divertor）结构，以保护第一壁和真空腔体。 反应堆还将采用 “增殖包层”（breeding blankets），既用来屏蔽磁体免受高能中子损伤，同时在堆内通过核反应生产聚变燃料之一的氚，实现部分燃料自给。

Type One Energy 的若干创始人曾深度参与多座重要等离子体实验装置的设计，包括威斯康星大学麦迪逊分校的“螺旋对称实验”（Helically Symmetric Experiment）以及目前全球最大在运恒星器——德国的 Wendelstein 7-X。 在 Wendelstein 7-X 等一批优化型恒星器上的实验表明，相比于早期恒星器，这类装置的等离子体约束得到显著改善，所谓“新古典输运”（neoclassical transport）损失有所降低，从而接近托卡马克的约束水平，同时保持长时间稳态运行和对“猝发失稳”不敏感等固有优势。

Type One Energy 首席执行官 Christofer Mowry 将公司与田纳西河谷管理局（TVA）的合作描述为“以内建安全为核心的设计典范”。 他表示，双方自 2024 年 2 月起就紧密协作，持续共享重要设计信息和技术细节，这些内容对于确立未来聚变电站所需的许可条件至关重要。 在他看来，这一伙伴关系正推动田纳西州成为全球在聚变装置许可过程中实现安全与透明的示范地区。

Bull Run 的转型也折射出一个在全美范围内逐渐形成的更大趋势：利用退役重工业和化石能源设施，布局新一代清洁能源与储能产业。 例如，Form Energy 将其首家铁—空气电池制造工厂选址在西弗吉尼亚州前钢铁工业重镇 Weirton，而在缅因州林肯镇，开发商正把一座关闭的造纸厂改造为全球最大的电网级电池储能项目之一。

与此同时，比尔·盖茨支持的另一家公司 TerraPower 正在怀俄明州 Kemmerer 一座即将退役的燃煤电厂附近建设先进裂变电站，其非核岛土建工程已于 2024 年 6 月启动。 与其简单废弃“碳时代”的工业基础，不如在工程层面对其进行重构，让这些旧有设施服务于 “更清洁物理学”的新纪元，这正在成为美国能源基础设施改造的一条重要路径。