来源：环球零碳
撰文 | Penn
编辑 | Tang
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核聚变能源是人类梦寐以求的清洁能源，有望成为人类解决能源问题的终极方案，并被誉为清洁能源的“圣杯”。
从上世纪60年代开始，各国不断在可控核聚变领域进行投入。然而，这项技术的实现难度之大，使得科学家们常常感叹，人类距离核聚变发电似乎永远相差50年。
近年，多国可控核聚变逐步从实验堆迈入工程堆阶段。在创新技术的加持下，紧凑型的核聚变设备得到初步验证，也为商业公司和社会资本进入这一领域提供了可能。2022年，人类首次实现了核聚变反应净能量增益的历史性里程碑，随后关于核聚变的好消息纷至沓来。
12月17日，美国核聚变能源初创企业Commonwealth Fusion Systems(CFS)宣布，该公司计划在弗吉尼亚州建造世界上第一座电网规模的核聚变发电厂。拟议中的发电厂被称为ARC，预计将于2030年代初投入运营，并能够接入电网，产生400兆瓦的电力，足以为大约15万户家庭供电。
CFS于2018年从美国麻省理工学院剥离，迄今已融资逾20亿美元，是世界上最大、最受关注的核聚变公司之一，其投资者包括老虎环球资本、比尔·盖茨、谷歌和能源巨头埃尼等。
在考察了全球 100 多个地点后，CFS 选择了弗吉尼亚州切斯特菲尔德县一块 100 英亩的土地来建造 ARC。CFS全球政策和公共事务副总裁Kristen Cullen表示：“这是一项为期两年多的全球选址搜索，我们寻找的不仅是Commonwealth Fusion Systems的第一座聚变发电厂，而且是世界上第一座聚变发电厂的所在地。”
图说：麻省理工学院衍生公司 CFS公布了世界上第一座聚变发电厂的计划
来源：MIT
自 2012 年其创始人在麻省理工学院教室中首次构思出这一方法以来，CFS在利用核聚变（为太阳能量提供动力的反应）方面取得了突破性进展，该公司目前正在将麻省理工学院研究实验室开发的一套先进技术商业化。
麻省理工学院研究副校长伊恩·韦茨说：“从 12 年前的学生课程到今天宣布在弗吉尼亚州建立世界上第一座核聚变发电厂，进展非常迅速。”
“这将是核聚变的分水岭，”CFS 联合创始人、麻省理工学院日立美国工程学教授丹尼斯·怀特 (Dennis Whyte) 表示。“它为商业化核聚变发电厂的竞赛定下了基调。我们的目标是建造数千座这样的发电厂，改变世界。”
2012 年，在教授麻省理工学院核聚变工程原理课程时，怀特教授向一群研究生提出挑战，要求他们设计一种核聚变装置，该装置将使用一种新型超导磁体来限制反应中使用的等离子体。事实证明，这种磁体使反应堆设计更加紧凑和经济。当怀特回顾学生们的作品时，他意识到这可能意味着核聚变的一条新发展道路。
自 2017 年公司成立以来，CFS与麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PFSC）的研究人员合作开展了一系列项目，从验证第一台演示机器的基础等离子体物理学，到打破商业聚变电站使用的新型磁铁的记录，每一项进展都使美国离利用革命性的新能源更近了一步。
图说：SPARC 演示设备的渲染图
来源：CFS
CFS 目前正在马萨诸塞州德文斯的总部完成其聚变演示机 SPARC 的开发。SPARC 反应堆将利用 CFS 设计的全新高温超导磁体系统，将温度超过 1 亿摄氏度的过热等离子体限制在一个名为托卡马克的环形安全壳中。
SPARC 反应堆是一个环形托卡马克装置，与 ITER一样，它试图重现太阳内部的条件，即氢原子在极热和高压下聚变，释放出大量清洁能源。然而，ARC 的尺寸约为 ITER 的一半，半径为 3.3 米。ITER是国际热核聚变实验堆，被称为全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，参与者包括中国、美国、欧盟等七个经济体。
无论是 ITER、ARC 还是像德国Wendelstein 7-X 仿星器那样旋转的聚变反应堆，其物理原理和总体目标大致相同。氢的同位素氘和氚被引入反应堆室内，并被过热以形成旋转等离子体，然后需要将其悬浮起来，防止其转向壁或任何固体。
而要实现这一点，磁铁是关键。2021年9月， CFS首次将高温超导材料制成磁体加入核聚变实验装置，这一磁体性能最高场强达到20特斯拉，高于ITER装置中预计使用的5.3特斯拉额磁场强度，成为有史以来利用聚变磁体实现的最强磁场。
图说：SPARC 托卡马克在 ARC 核电站内部的效果图
来源：CFS
虽然核聚变本质上比核裂变更安全，但并非完全没有风险。核聚变过程中释放的高能中子会降解反应堆材料，使维护成为持续关注的问题。随着时间的推移，中子将有效辐射反应堆和周围材料。氚燃料具有轻微放射性，需要小心处理以防止泄漏。
另一个挑战是等离子体遏制，最近才被“征服”。韩国超导托卡马克先进研究中心 (KSTAR) 于 2024 年 2 月成功进行了长达 48 秒的等离子体燃烧，这是迄今为止最长的一次。
与依靠强大引力来维持等离子体的太阳不同，聚变反应堆使用磁场或激光来稳定反应。SPARC 托卡马克设计中使用的磁场，在反应过程中的任何中断，如断电或机械故障，都会导致等离子体几乎立即冷却（以毫秒为单位），从而导致反应停止。
图说：CFS的托卡马克装置
来源：CFS
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