仿星器讓核聚變商業化更簡單？美國公司發展新型仿星器聚變反應堆

在小說《三體》中，星際飛船由核聚變能源所驅動，讓我們看到了一個「未來的畫面」，也看到了核聚變肩負著為人類提供無限清潔能源的使命。

在推動核聚變發展為商業發電廠的過程中，工程師們有一個「兩難」的選擇。

要麼選擇簡單的設計，然後在運行過程中強迫等離子體保持運轉，以防止它自行熄滅；要麼選擇一種頗具挑戰，但能產生更理想的等離子體的複雜設計。

在磁約束核聚變的複雜設計中，頗具代表性的是仿星器（Stellarator），它是一種以模擬星球為目標的實驗裝置。

1951 年，著名物理學家、美國普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL，Princeton Plasma Physics Laboratory）的創始人列文·斯皮策（Lyman Spitzer）第一次提出了仿星器的概念。

但在當時，很多人都認為這種設計過於複雜，以 20 世紀中期的技術水平還不足以攻克相關難題。在當下，隨著超導材料和其他新型材料的不斷進步，科學家們開始重新思考仿星器的成為現實的可能性。

在托卡馬克中，通過使用環形磁場來維持等離子體的穩定。強大的磁場限制可有效控制過熱的等離子體，阻止它與反應堆壁接觸，從而確保聚變反應的穩定和持續進行。

與托卡馬克類似，仿星器也使用磁場來控制過熱的等離子體。不同的是，仿星器通常具有扭曲的螺旋形狀，類似於螺旋形或扭曲的「甜甜圈」。基於這種設計，它的磁場非常複雜，磁場線需要遵循複雜的螺旋路徑。

1983 年，隨著 PPPL 物理學家艾倫·布瑟 (Allen Boozer) 提出準對稱概念，人們對仿星器的理論理解發生了巨大轉變。這一新範式使得設計具有類似於托卡馬克約束特性的仿星器，在理論上成為可能。

仿星器有幾個關鍵優勢，例如提高反應裝置的穩定性，保持其內部的超熱氣體足夠穩定。對於未來的核聚變發電廠來說，仿星器理論上可以一直運行，而托卡馬克則必須定期停下來重置磁線圈。

2015 年，來自德國馬基斯·普朗克等離子體物理研究所的研究人員，成功製備出全球最大的仿星器 Wendelstein 7-X（簡稱 W7-X）。

2018 年，W7-X 通過實驗驗證了仿星器優化的可行性，作為首台大型仿星器裝置，使其在與托卡馬克的競爭中具有優勢。

2023 年，Proxima Fusion 公司從馬基斯·普朗克等離子體物理研究所獨立出來，並完成超過 2000 萬美元的種子輪融資。

同樣從著名核聚變實驗室衍生而來的初創公司，還有 Thea Energy。

基於美國普林斯頓大學和 PPPL 多年來在核聚變技術的成果，前 PPPL 物理學家大衛·蓋茨（David Gates）於 2022 年成立了 Thea Energy，他是該公司聯合創始人兼 CTO。

Thea Energy 的前身名為普林斯頓仿星器（Princeton Stellarators），旨在利用仿星器物理和工程領域的最新突破，創造一種更快、更簡單的方法來實現聚變能源的商業化。

需要瞭解的是，仿星器的三維複雜性意味著，需要強大的計算能力才能完全掌握它。

基於當下計算和控制系統的進步和發展，Thea Energy 利用平面和單獨可控的電磁線圈陣列，通過將複雜的 3D 磁場轉移到現代電子控制系統，這是一種從根本上簡化仿星器系統的新模式，並且能夠降低成本。

Thea Energy 的聯合創始人兼 CEO 布賴恩·巴爾津（Brian Berzin）對媒體說道：「我們的技術用更易於管理的小型磁鐵陣列，取代了以複雜性和高成本而聞名的複雜 3D 磁鐵線圈，從而簡化了仿星器的設計。」

2023 年 5 月，美國能源部開展了一項名為「里程碑式聚變發展計劃」的項目，並撥款 4600 萬美元用於快速推動商業聚變能源發展的進程。

Thea Energy 作為 8 家公司之一，入選了這項發展計劃（入選時名為 Princeton Stellarators）。

在入選項目中，Thea Energy 與美國加州大學聖地亞哥分校合作，將開發一種基於硼元素的可再生第一壁（反應堆的真空室壁），以能夠從仿星器聚變裝置中充分去除熱量並回收氚。

今年 2 月，Thea Energy 公司完成了 A 輪融資，融資額 2000 萬美元。

Prelude Ventures 領投了該輪融資，其他參投機構還包括：11.2 Capital、Anglo American、Hitachi Ventures、Lowercarbon Capital、Mercator Partners、Orion Industrial Ventures 和 Starlight Ventures。

據公開資料，該輪融資用於支持 Thea Energy 公司專有的超導平麵線圈磁體陣列系統的建設和運營、大型集成中子源仿星器系統 Eos 的設計和模擬，以及團隊的持續發展。

Eos 是中子源仿星器系統，能夠進行商業運行，用於生產包括氚在內的各種同位素。

根據 Thea Energy 計劃，該公司打算在 21 世紀末建造一座中試反應堆，並在 2040 年之前，建造一座更大規模的 350 兆瓦示範電廠。當其商業產品接入電網時，Thea Energy 希望能夠實現發電價格每兆瓦時 50 美元。

其他以仿星器作為核聚變反應堆的公司融資進展方面，今年 7 月，Type One Energy完成了超過 5000 萬美元的新一輪融資，已累積種子輪融資超過 8500 萬美元。

推動仿星器完全商業化落地還有諸多方面的挑戰，但仿星器的優化和技術進步，為將聚變能源發展為商業發電廠的「兩難」選擇，或提供了一種「二者可兼得」的方案。

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

Thea Energy raises $20M Series A for pixel-inspired fusion power plants

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

Bill Gates-backed Type One Energy lands massive seed extension to commercialize fusion power

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