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36氪 2022-12-01

星环聚能创始人陈锐:终极能源形态和商业化可能

11 月 29 日 -30 日,36 氪 WISE2022 新经济之王大会顺利举办。

今年,36 氪将大会主题定义为 "Long China Long Innovation 守望中国 保持创新 ",大会将聚焦新能源、SmartEV、新消费、投资人、硬核科技、数字化、XR 与元宇宙和机器人八大热门赛道,汇集数字化、企服、新能源、新消费、双碳、二级市场、商学院、创变者等 10 大分会场。重磅推出 "WISE 2022 新经济之王年度人物 "、"WISE 2022 新经济之王年度企业 " "WISE 2022 新经济之王年度焦点产品 " 三大年度名册。全方位展望新经济领域的趋势动向,探索新经济领域新的增长点。

大会上,星环聚能创始人陈锐发表了题为《终极能源形态和商业化可能》的主题演讲。陈锐谈到,星环聚能将开始建设真正意义上自己的第一个技术验证装置,CTRFR-1。在这个装置上,将一步验证磁重联加热等离子体到聚变反应温度的可行性,并且开发聚变等离子体相关的技术,然后开发可能存在的一些聚变中子应用等,希望通过这个装置能够开启人类商业聚变的新时代。

以下为陈锐的演讲内容(36 氪经编辑发布):

大家好,我是星环聚能的创始人陈锐。感谢 36 氪的组织和邀请给我这个机会,向大家介绍聚变这个新兴赛道,以及我们星环聚能的简单情况。

星环聚能的目标是想探索终极能源,首先我想给大家介绍一下什么是核聚变。聚变其实是由两个比较轻的原子核聚合成一个比较重的原子核,同时放出大量能量的过程。这个动画展示的是一个典型的核聚变反应的示意图,它说的是氘和氚聚变反应产生氦原子核,然后产生一个中子,并释放出大量能量的过程。

这是我们星球上最容易实现的聚变反应,当然了我们还有其他的方式,比如说用氘和氘发生聚变,也可以产生聚变能,然后用氢和硼发生聚变,也能够放出聚变能,但是氘和氚是目前为止我们人类最容易实现的一种聚变反应方式。

聚变最大的吸引力在于它能够释放出巨大的能量,人类目前掌握的利用聚变的方法就是氢弹,它能够造成巨大的破坏力,当然了也是释放出了巨大的能量。但是我们所期待的其实是可控的聚变,我们并不希望聚变只能用于破坏,而是希望它还能够用于造福人类,提供无穷无尽清洁的能源,这也是人类从 1950 年代开始探索可控核聚变的原因。

可控核聚变其实主要的方式大概可以归结为三种:

第一种,引力约束。

第二种,惯例约束。

第三种,磁约束。

我们分别看看它们的特点。

首先引力约束靠的是由大质量的恒星,通过万有引力来对聚变的燃料产生约束,太阳中间就通过引力使得日核区的氢不断发生聚变反应,从而释放出大量能量,照亮整个太阳系。但是,在地球上面我们无法造出这么大质量的物体,不能产生足够强的引力,是不可能实现引力约束的。

另外一种方式就是靠惯性来约束聚变燃料,聚变燃料被激光或者离子束等高能量密度的物质或电磁波直接或者间接加热以后,会发生剧烈的反冲,并压缩靶丸,达到点火条件,从而释放出聚变能。但是惯性约束的问题是整个全过程的效率比较低,从电转化成激光或者离子束的能量,压缩靶丸然后再释放聚变能的过程,其实是很难达到得失平衡的,而且也比较难以实现持续的聚变功率输出,因此它作为一种聚变能源来说还有不小的距离。

最后一个可能也是大家听的最多的是磁约束,磁约束它的原理其实也很简单,就是通过磁场对带电的原子核产生洛伦兹力来约束的,聚变等离子体在垂直于磁场方向不是很自由的,只能沿着磁力线做回旋运动,如果我们能够把磁力线做成一个比较封闭的磁面,整个约束就会做得很好,就可以长时间稳定的约束聚变的等离子体,这是目前人类实现核聚变最可行的途径。

在实现磁约束聚变能的路上,应该说人类是充分发挥了无穷无尽的创造力和聪明才智。这个图展示的从仿星器、托卡马克、球形托卡马克、反场箍缩、球马克、场反位形,还有等等其他一系列磁约束核聚变方案的一个示意图。这里头每一种方案都有它独特的特点,有优势,也有劣势。

没有哪个方法到目前能够 100% 的绝对领先,因此应该说目前的聚变方案还处在一个百花齐放的场景,只不过目前走的相对来讲最领先的是托卡马克、球形托卡马克和仿星器,但并不是说其他的方案就没有机会。

可控聚变的商业化应该怎么走?前面有那么多的磁约束可控聚变的路线可以选,到底怎么选择?这其实是摆在每一个可控聚变创业者面前的问题。我们需要从最根本的聚变相关的关键的参数来出发来分析这个问题,实现聚变反应需要同时满足三个条件:

第一个,足够高的温度。

第二个,足够高的密度。

第三个,足够长的能量约束时间。

这三乘积是被称为聚变三乘积,著名的劳逊判据也是根据这三个条件来得到的。按照劳逊判据只有当聚变三乘积大于 5 × 10^21m-3 · s · keV 才可能会产生有效的聚变功率输出,这是从聚变发生产生能量输出的角度来衡量聚变反应的条件。

更加实用一点,如果我们要制造一个磁约束聚变反应堆,它的功率其实会有另外一个三乘积来表示,这个三乘积是约束性能、磁场,以及反应堆的尺寸三者之积,约束性能越高的、磁场越强的、体积越大的反应堆会获得更大的聚变功率。这是比较普遍的,应该说是适用于各种磁约束实验堆一个普适的公式。

我们如果要做加快聚变能的推进,我们应该选择什么样的路线?现在国际国内主流的装置都还是以这个图——正在建设的 ITER ——这种比较大规模的实验装置为路线,它们主要的思路就是我通过更大的尺寸来提高聚变堆的功率。这是一条相对来讲比较稳妥、比较不会有太大风险的路线,但是它却非常地昂贵,它的投资规模基本上是千亿人民币起步。建设周期 10 年起步都是短的,基本上都是 20 年左右,再需要运行 10 年以上才能基本获取它各方面的性能和特点。所以整个过程其实是比较漫长、昂贵,而且迭代比较缓慢的。

所以现在大家都在纷纷想我能不能够利用现有的这些年来的技术突破,把聚变商业化的过程加快一下?这段时间以来,聚变方面的技术突破主要有哪几个方面?我们总结认为主要有四个方面:

第一个方面,创新的磁场结构。磁场结构的创新可以获得更好的约束性能,也就是说它可以更加高效的利用磁场的约束能力,使得聚变堆在更小的体积内就有可能获得相当的聚变功率输出,这个技术突破对应的就是我们提高约束性能这个因子。

第二个方面,高温超导。高温超导体现出的性能是远超于传统超导,特别是在临界电流密度、临界磁场,以及耐辐照性能方面,它都有相比于传统低温超导材料不可比拟的优势,有些甚至超过了两三个数量级。这意味着我们可以用更细的导体来携带更高的电流,从而产生更高的磁场,磁场提高以后,在这个聚变公式大家可以看出来,它可以很剧烈的提高聚变功率,这也让我们可以以更加紧凑的尺寸来获得相当的聚变堆功率。

第三个方面,偏滤器新的进展(大家可能关注比较少,但是非常重要)。现在有很多先进的偏滤器可以把热流分散到相当广的表面积上,使得聚变的热负荷对聚变堆表面的冲击大幅度的减轻,这样我们整个聚变堆的维护时间可以缩减的很厉害,有效工作时间就可以成倍的增加,这可以大大提高聚变堆的经济性。

第四个方面,大家可能了解比较多的是等离子控制方法的提升,因为最近的强化学习等等机器学习方法也用在了聚变堆的控制上面,所以整个聚变堆的控制能力可以明显提升,比原先的运行水平要高不少,所以这也是可以让大家在不改变聚变堆的硬件前提下提高聚变性能的路子。

所以在这么多技术加持下,各路资金纷纷涌入聚变行业,各个新闻报道也都在说聚变是不是已经进入了大家期待的商业太空方面 Space X 时刻的机会,大家都在期待这个行业的 Space X 时刻,现在世界主要聚变公司已经相当多了,我们这里大概举几家介绍一下。

第一个是最老牌的聚变创业企业 TAE,它利用的是场反位形这条路线,通过氢硼聚变实现聚变功率输出。融资已经超过 10 亿美元,来自于各大能源企业还有 Google 等等。

另外一个比较火的是 CFS。它基于托卡马克,但是采用的是高温超导磁体,体积非常小但磁场极高,也能实现聚变。刚刚结束一轮 18 亿美元的融资,投资人也非常地有名。

另外一家公司是美国的 HELION,它的路线也是场反位型,但是它是用两个等离子环向中间高速对撞,然后压缩来达到聚变反应条件并产生聚变功率输出的。它的融资额度也不低,6 亿美元。

第四家是托卡马克能源,是来自英国的一家公司,它采用的路线是球形托卡马克。球形托卡马克具有相当好的等离子约束性能。它的融资规模大概是 2 亿美元。

第五家来自加拿大,也是用的球形托卡马克路线,但是它的约束和加热方法非常的有个性,通过液态金属压缩来让等离子体达到聚变反应温度。融资规模大概是 2 亿美元。

最后说说我们自己,我们星环聚能的发展规划,我们是从清华大学工程物理系核能所聚变团队通过成果转化孵化的一家企业,我们的技术基础是来自于运行了 20 年的清华大学球形托卡马克探索装置 SUNIST 的。在这个装置上面,经过 20 年的研究,该团队对球形托卡马克等离子体的基本物理特性、磁体电源、等离子体控制以及诊断技术有了非常深刻的认识和体会。到今年,星环聚能融资完成以后,已经开始与清华大学合作研究一个更加大规模的原理验证装置 SUNIST-2。我们将在这个装置上验证从磁重联加热的一些基本原理,然后开发磁重联加热所需的一些关键技术。

到下一阶段,星环聚能将开始建设真正意义上自己的第一个技术验证装置,CTRFR-1。在这个装置上,我们将一步验证磁重联加热等离子体到聚变反应温度的可行性,并且开发聚变等离子体相关的技术,以及可能存在的一些聚变中子应用等等,在这个装置上我们将验证我们重复重联方案的科学可行性、工程可行性。

下一步我们将建设一个准聚变示范堆,在这上面我们希望能够验证聚变堆的完整燃料循环、功率输出、抗中子 / 热负荷各种材料等等,这是一个全高温超导的可控聚变示范堆。再往后我们希望在这一步的基础上,我们真正能够建成一个商业示范聚变电站,功率大概是百兆瓦量级,功率紧凑、运行简洁。这将是一个效益非常稳定可观的聚变堆商业示范装置。

我们希望通过这个装置能够开启人类商业聚变的新时代。我的介绍就这么多,谢谢大家。

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