核融合發電原理及其新創產業發展現況

數十年來，人類一直尋求利用恆星的力量在地球上發電。而幾乎在同樣長的時間裡，實現這一目標似乎總是只需要再等十年。

現在，許多新創公司比以往任何時候都更接近目標，並正競相建造能夠為電網供電的核融合反應爐。

核融合新創公司已吸引了超過 100 億美元的投資，其中有十幾家公司的融資額超過 1 億美元。隨著來自數據中心的能源需求激增，以及核融合新創公司越來越接近終點線，許多大型融資輪在去年完成，投資者紛紛湧入該行業。

核融合發電的核心在於利用原子融合時釋放的能量來產生電力。人類幾十年來就知道如何融合原子，從氫彈（受控核融合之外的一個例子）到世界各地實驗室建造的無數核融合裝置。實驗性核融合裝置已經能夠控制核融合，且其中一個裝置產生的能量已經超過了觸發反應所需的能量。

但目前還沒有任何裝置能夠產生足夠的剩餘能量來使發電廠成為可能。

為了達成這個目標，核融合新創公司正在嘗試多種不同的方法。專家們對於哪種方法最有機會成功持有不同意見，由於該行業仍處於起步階段，因此目前尚無定論。

以下是核融合發電主要方法的簡要概述。

磁約束

磁約束（Magnetic confinement）是最廣泛使用的技術之一，利用強大的磁場來約束電漿（plasma）——這是核融合裝置核心的超熱粒子湯。

磁鐵必須極其強大。例如，Commonwealth Fusion Systems (CFS) 正在組裝能夠產生 20 特斯拉（tesla）磁場的磁鐵，這比典型的核磁共振（MRI）機器強約 13 倍。為了處理所需的電量，磁鐵由高溫超導體製成，但仍需要使用液氦冷卻至 –253˚ C (–423˚ F)。

CFS 目前正在馬薩諸塞州以更快的進度建造名為 Sparc 的示範裝置。該公司預計在 2026 年底左右啟動，如果一切順利，將於 2027 年或 2028 年在維吉尼亞州開始建設其商業規模的發電廠 Arc。

使用磁約束的核融合裝置主要有兩種類型：托卡馬克（tokamaks）和仿星器（stellarators）。

托卡馬克最初由蘇聯科學家在 1950 年代提出理論，自那以後得到了廣泛研究。托卡馬克有兩種基本形狀：一種是具有 D 形剖面的甜甜圈，另一種是中間有一個小孔的球體。歐洲聯合環狀反應爐（JET）和國際熱核融合實驗反應爐（ITER）是兩個著名的實驗性托卡馬克；JET 於 1983 年至 2023 年間在英國運行，而 ITER 預計將於 2030 年代後期在法國開始運行。

總部位於英國的 Tokamak Energy 正在開發球形托卡馬克設計。其 ST40 實驗機器目前正在進行升級。

仿星器是另一種主要的磁約束裝置。它們與托卡馬克相似，都將電漿限制在類似甜甜圈的形狀內。但與托卡馬克的幾何側面不同，仿星器的形狀扭曲且轉折。這種不規則形狀是通過模擬電漿的行為並量身定制磁場來確定的，以適應其特性，而不是強迫其進入規則形狀。

Wendelstein 7-X 是一個帶有模組化超導線圈的大型仿星器，由馬克斯·普朗克電漿物理研究所運營，自 2015 年以來一直在德國運行。幾家新創公司也在開發自己的仿星器，包括 Proxima Fusion、Renaissance Fusion、Thea Energy 和 Type One Energy。

慣性約束

核融合的另一種主要方法被稱為慣性約束（Inertial confinement），它通過壓縮燃料丸直到其中的原子融合。

大多數慣性約束設計使用雷射脈衝來壓縮燃料丸。多束雷射同時發射，它們的光脈衝從各個角度同時匯聚在燃料丸上。

到目前為止，慣性約束是唯一突破「科學收支平衡」（scientific breakeven）里程碑的方法，即反應釋放的能量超過其消耗的能量。這些實驗是在加州勞倫斯利佛摩國家實驗室的國家點火設施（NIF）進行的。值得注意的是，用於確定科學收支平衡的測量不包括為實驗設施供電所需的電力等。

儘管如此，仍有近十幾家新創公司在慣性約束中看到了足夠的前景，並圍繞它設計反應爐。Focused Energy、Inertia Enterprises、Marvel Fusion 和 Xcimer 是使用雷射的一些著名例子。

不過，有兩家公司沒有使用雷射：First Light Fusion 提議使用活塞，而 Pacific Fusion 則計劃使用電磁脈衝代替雷射。

更多內容敬請期待

這是核融合發電的兩種主要方法，但並非唯一的方法。很快，我們將增加關於替代設計的更多細節，包括磁化靶核融合（magnetized target fusion）、磁靜電約束（magnetic-electrostatic confinement）和緲子催化核融合（muon-catalyzed fusion）。