近日，黑科技Sentry作者专访星环聚能，公司CEO陈锐表示：“在人类历史上，可控核聚变研究已经走过了70多年的历程。近年来随着第二代高温超导技术的引入、等离子体控制能力的提升、以及一些聚变相关工程技术的进步，我们认为可控核聚变达到点火条件离我们越来越近了，据国际核聚变协会的调查，目前绝大多数的商业化聚变公司都致力于在10年内通过聚变产生电能。”
星环聚能成立于2021年10月，公司致力于聚变能商业应用及相关技术研发，以建成我国首个商用可控聚变堆为己任，潜心于小型化、商业化、快速迭代的可控聚变能装置，专注成长为集研发、设计、运维于一体的全球顶尖的聚变能科技企业。
以下为报道全文：
专家 ｜ 陈锐
来自 ｜ 星环聚能
9月8日，联合国气候变化框架公约（UFCCC）秘书处发布一项重要报告，称全球减排“窗口正在迅速关闭”，呼吁全球各国为应对气候变化继续采取实际行动，尽快减少排放，避免全球变暖及其引发的一系列严重灾难。
过去数年中，气候变化及其连锁反应对人类和全球生态系统造成巨大影响。气候变化无疑成为了全球发展的“灰犀牛”事件。这些事件包括极端天气气候事件、海平面上升、土地退化和生物多样性丧失，都与人类活动导致的温室气体排放密切相关。 △瘦骨嶙峋的北极熊，来源：Kerstin Langenberger 联合国通过报告呼吁各国政府、企业和民众共同努力，共同推动能源转型、减少碳排放和改善气候适应能力。其中，极为重要的一个方面即减少对化石燃料的依赖，增加可再生能源（包括太阳能、风能、核能）的使用，逐步淘汰高碳排放的能源。 2022年12月13日，美国宣布首次成功在可控核聚变反应中“点火”，即实现“净能量增益”。2023年9月15日新华社报道，安徽省的核聚变研究设施“夸父”预计将于2025年底完工，科学家们已经在这个建筑群中展开了多项研究工作。 △9月15日，工作人员在聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）1/8真空室及总体安装实验平台进行设备调试。来源：新华社 沉寂了将近半个世纪的核聚变，作为一种清洁安全的能源来源，瞬间变成了有望解决温室问题的核心关键，核聚变也变成了街谈巷议的热点话题。今天我们请到了星环聚能的CEO陈锐，来谈谈核聚变的未来。 小黑：可以跟我们简单介绍下可控核聚变吗？预估什么时候能大规模投入应用呢？ 我们先来聊聊大家广泛了解的核能，目前主要是核裂变技术，也就是大家熟知的核电站，能量来源主要是原子核分裂时释放出巨大能量的过程。产生核裂变的原料，主要是铀、钍、钚这种放射性的重元素原子核。 另外一种主流的核能源技术是核聚变 清洁安全，近乎无限的能量供应，并且能效极高。 核裂变与核聚变虽然都是新型能量的来源，但还是有巨大差异 原材料不同 产生反应的方式不同 如果说通过分裂重原子核来产生能源的核裂变 是将原本完整的镜子打碎 将打碎的镜子复原，通过“破镜重圆”来释放能量。 太阳内部便每时每刻都在发生着类似的聚变反应，从而源源不断地发出光和热。
核聚变的原理是利用轻元素的原子核
△核聚变的三部曲：1、原子被加热 2、产生聚变反应 3、生成氦、中子+释放能量 与目前广泛应用的核能（核裂变）相比，核聚变既不会产生核废料，辐射也极小，因此是一种重要的绿色能源解决方案。 另外大家担心的安全问题 一旦失控就容易停不下来 但是核聚变不一样，核聚变的安全性不是来自于人的管理，而是来自物理规律 其次，核聚变的能源原料极其丰富 最后核聚变还有一个优点，它的能量密度非常大 ，这意味着我们不需要更大的空间去存放能源，运输也更便捷。举例来说，要维持全人类一年的发电量，核聚变仅仅需要一辆百吨大卡车，就能装载全部的核聚变原料 因为能量密度大的特性，核聚变技术甚至可以成为人类可想象和触及的星际旅行的能源之一。现在一枚推力3000吨的化学火箭，90%以上的负载都用来装燃料了 ，最终只能实现运载200吨的货物到近地轨道，50吨的货物到月球。 当核聚变技术成熟之后，也许只需要10%的燃料来源，剩下90%都可以用来装载物资，运载效率将大大提升。可以说，核聚变的应用场景是非常丰富多元的。 但是核聚变要真的为人类产生效益，仍旧面临着许多技术和科学的难题，一个核心的技术指标，主要看核聚变产生的能量是否能够大于消耗的能量（Q>1），这样才能让聚变反应达到自持燃烧的状态，也即是大家通常说的点火条件。 在人类历史上，可控核聚变研究已经走过了70多年的历程。近年来随着第二代高温超导技术的引入、等离子体控制能力的提升、以及一些聚变相关工程技术的进步，我们认为可控核聚变达到点火条件离我们越来越近了，据国际核聚变协会的调查，目前绝大多数的商业化聚变公司都致力于在10年内通过聚变产生电能 其实人类想通过核聚变产生可用的能源，就必须要实现可控 目前可控聚变的主流约束方式为惯性约束和磁约束 。
激光聚变是惯性约束的一种，主要是使用激光作为驱动源的。劳伦斯利弗莫尔国家实验室宣布取得新突破的国家点火装置（NIF）就是其采用“惯性约束路线”制造的，总共耗费35亿美元，是世界上最大的激光器 。
△劳伦斯利弗莫尔国家实验室
但是相比瞄准产能应用，激光约束路线更多用于科研
核聚变的另一个技术路线是磁约束聚变
△ 磁约束托卡马克装置结构示意图，来源：IAEA、中信证券研究部 该路线的主攻方向之一是采用托卡马克（Tokamak）装置 由托卡马克装置衍生而来的还有球形托卡马克，相比传统托卡马克减小了中心孔径，使得整个装置呈接近球形。球形托卡马克比起传统装置，拥有更高的比压 更弱的磁场 像我们星环聚能的技术路线也是球形托卡马克，我们公司创始团队依托在清华大学可控聚变实验室二十多年的研究成果和经验积累 除了托卡马克反应堆，仿星器也是一种磁约束装置，不过目前仿星器在等离子体的密度与温度上比托卡马克相比有不小的差距，所以仿星器并没有成为主流 小黑：感觉技术方案已经被提出很久了，但为什么商业可控核聚变感觉一直离我们很遥远，甚至被说“永远还有30年”？ ‘永远还有30年’的原因，主要还是可控核聚变有几个难度 托卡马克 核聚变，说的就是要想办法让两个原子核"啪！"聚在一起合并 必不可少的条件就是高温 以最容易实现的氘氚聚变为例，它在常压下的反应温度大约是1.5亿摄氏度，太阳核心温度的十倍。 目前世界上熔点最高的物质是五碳化四钽铪（TaHfC），它的熔点是4215℃，还不到反应温度的零头，这就涉及到核聚变的第一个难点 一个装置去承载1.5亿摄氏度的高温，那托卡马克装置就是一个利用磁场构建出一个肉眼看不见、能耐受高温的反应炉 其次，核聚变燃料会处于一种等离子体的状态，它的电子会被剥离出原子，只剩下离子裸核，最终形成带正电的离子和带负电的电子混合在一起的状态。 那反应原料带电 要考虑用磁场去把它控制在一定的范围内 托卡马克装置 而为了防止等离子体从两头飘出去，我们可以把环状磁体两头连起来，就形成了这个甜甜圈的结构。 托卡马克解决了理论问题，但在实际操作中，还有亿点点小困难 核聚变装置点火之后，整体的能量效率需要大于1，细节的技术我们先不讨论，传统的托卡马克要做到这点，根据理论就需要做大 1985年，苏共总书记戈尔巴乔夫向美国总统里根提议共同建设一个大型的托卡马克装置 光上面的一个磁体就相当于一架满载的波音747的重量 △建设中的ITER，拍摄于2018年。图片来源：维基百科 为了从全球的供应商那里把那些硕大的零部件运过来，路都新修了好几条，因为原来的不够宽，它经历过多次跳票，估算的最高的总投入更是高达600亿欧元，相当于4800亿人民币 而这还是一个实验体，可以想见实际操作中大家会面临怎样的困难，这也是为何调侃’永远还有30年‘的原因。 小黑：我看星环聚能的装置并没有那么大？是否标志着可控核聚变有了新的进展？ 先说下我们今年的一些进展：6月，我们星环聚能上榜2022中国潜在独角兽企业；7月，公司与清华大学联合建设的中国联合球形托卡马克2号（SUNIST-2）建成并开展了首轮运行，获得100千安培等离子体电流。目前，星环聚能已完成第一台聚变装置建设，并获得第一炮等离子体。可以说，我们在可控核聚变商业化道路上还是取得了一定的成绩 想要商业化，我们要解决的第一个问题是体积
，时长
△球形托卡马克设备，来源：星环聚能
我们的目标是在一个直径6米，高10米的托卡马克上 但还有第二个问题 磁重联 我们使用的这个方案，主要是利用球形托卡马克多个极向磁场线圈，感应产生两个等离子体环，并推动它们融合成一个主等离子体。在此过程中，等离子体环产生的磁场发生大规模的磁重联，快速而高效地加热等离子体至聚变反应温度 在这个装置中，仅需要使用若干组线圈即可完成等离子体加热 经济竞争力极强，运行难度也大幅降低 第三个问题来了，磁重联方案是一次性的 以类似于多冲程内燃机的模式运转，不断地重复磁重联，周期性地输出聚变能。 这种方式避免了长脉冲连续运行时难以避免和预测的不稳定性，也降低了装置的复杂度和建造成本。 接下来的目标，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。 我们还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。
我们希望通过这个装置能够开启人类商业聚变的新时代。相信在未来，核聚变不再是那个‘遥远的三十年’。
参考资料：
https://shunwei.com/news/2471
https://www.huxiu.com/article/1912724.html
https://tech.ifeng.com/c/8SkSTstUJwm
