美國新一輪核聚變能源探索在上月悄然翻開新篇章。由比爾·蓋茨投資支持的初創(chuàng)公司 Type One Energy 已向監(jiān)管機構(gòu)提交首份建設(shè)許可申請，為在田納西州建設(shè)一座恒星器實驗核聚變反應(yīng)堆邁出關(guān)鍵一步。

在過去六十年里，位于田納西州克拉克斯頓的 Bull Run 火力發(fā)電廠依靠化石燃料為周邊地區(qū)提供電力。該廠于去年正式退役，兩座標志性的冷卻煙囪在受控爆破中被拆除，不僅從天際線消失，也象征著田納西州在高科技能源創(chuàng)新領(lǐng)域的新角色正在形成。 有報道稱，這片舊火電廠場址有望迎來 “Infinity One”（無限一號）——一座用于約束溫度高達一億攝氏度等離子體的核聚變反應(yīng)堆，其核心是復(fù)雜的磁線圈系統(tǒng)。

與當前更為公眾熟知的托卡馬克（tokamak）反應(yīng)堆路徑不同，Type One Energy 選擇了恒星器（stellarator）路線。與托卡馬克一樣，恒星器同樣利用磁場將環(huán)形等離子體圈懸浮在真空腔體中，但其磁線圈不再是相對簡單的圓形或環(huán)形結(jié)構(gòu)，而是經(jīng)過精密設(shè)計的扭曲三維形狀。 這種復(fù)雜磁幾何帶來的潛在優(yōu)勢是更穩(wěn)定的等離子體約束，有望緩解困擾托卡馬克裝置多年的不穩(wěn)定與“失穩(wěn)”問題，但與此同時也極大提升了工程設(shè)計和制造難度。

Type One Energy 的一個關(guān)鍵技術(shù)方向，是在這些復(fù)雜線圈中使用高溫超導(dǎo)磁體。公司正在開發(fā)模塊化高溫超導(dǎo)（HTS）磁體技術(shù)，使線圈在保持緊湊體積的同時承載極高電流、產(chǎn)生多特斯拉強磁場，并在恒星器所需的非平面復(fù)雜幾何形狀中穩(wěn)定運行。 這些線圈將工作在低溫條件下，通過將強磁場“壓縮”在相對小的空間中，幫助控制裝置的整體尺寸和成本。相關(guān)測試計劃則集中在驗證這些非平面 HTS 線圈能否承受下一代恒星器對機械應(yīng)力和磁場強度的嚴苛要求。

在物理設(shè)計理念上，Type One Energy 采用所謂“準對稱優(yōu)化”（quasi-symmetry optimization）方法，即通過優(yōu)化三維磁場結(jié)構(gòu)，使帶電粒子的運動軌道表現(xiàn)得好像處于更對稱的磁場中，從而改善約束性能。 為實現(xiàn)這一點，團隊依托高性能計算平臺，包括國家實驗室的百億億次（exascale）級超級計算機，進行大規(guī)模等離子體和靜磁場仿真。 這些仿真結(jié)果被用于持續(xù)修正線圈形狀、減少粒子輸運損失，并為后續(xù) Infinity Two 商用電站建立物理基礎(chǔ)，同時在真正開工建造硬件前盡量降低技術(shù)風(fēng)險。

按照規(guī)劃，Infinity One 將成為這一路線的原型裝置，后續(xù)則是在此基礎(chǔ)上建設(shè)一座計劃裝機容量約 350 兆瓦電功率的示范電站——“Infinity Two”（無限二號），并配套建設(shè)面向當?shù)氐木圩內(nèi)瞬排嘤?xùn)中心。 Type One Energy 給出的目標時間表是：在 2029 年前后讓原型裝置實現(xiàn)運行，這在核聚變領(lǐng)域被視為頗具雄心的進度安排。

Infinity Two 的總體架構(gòu)被設(shè)計為完整的試驗性電站，將預(yù)留用于排出氦“灰”（聚變反應(yīng)副產(chǎn)物）的偏濾器（divertor）結(jié)構(gòu)，以保護第一壁和真空腔體。 反應(yīng)堆還將采用 “增殖包層”（breeding blankets），既用來屏蔽磁體免受高能中子損傷，同時在堆內(nèi)通過核反應(yīng)生產(chǎn)聚變?nèi)剂现坏碾?，實現(xiàn)部分燃料自給。

Type One Energy 的若干創(chuàng)始人曾深度參與多座重要等離子體實驗裝置的設(shè)計，包括威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的“螺旋對稱實驗”（Helically Symmetric Experiment）以及目前全球最大在運恒星器——德國的 Wendelstein 7-X。 在 Wendelstein 7-X 等一批優(yōu)化型恒星器上的實驗表明，相比于早期恒星器，這類裝置的等離子體約束得到顯著改善，所謂“新古典輸運”（neoclassical transport）損失有所降低，從而接近托卡馬克的約束水平，同時保持長時間穩(wěn)態(tài)運行和對“猝發(fā)失穩(wěn)”不敏感等固有優(yōu)勢。

Type One Energy 首席執(zhí)行官 Christofer Mowry 將公司與田納西河谷管理局（TVA）的合作描述為“以內(nèi)建安全為核心的設(shè)計典范”。 他表示，雙方自 2024 年 2 月起就緊密協(xié)作，持續(xù)共享重要設(shè)計信息和技術(shù)細節(jié)，這些內(nèi)容對于確立未來聚變電站所需的許可條件至關(guān)重要。 在他看來，這一伙伴關(guān)系正推動田納西州成為全球在聚變裝置許可過程中實現(xiàn)安全與透明的示范地區(qū)。

Bull Run 的轉(zhuǎn)型也折射出一個在全美范圍內(nèi)逐漸形成的更大趨勢：利用退役重工業(yè)和化石能源設(shè)施，布局新一代清潔能源與儲能產(chǎn)業(yè)。 例如，F(xiàn)orm Energy 將其首家鐵—空氣電池制造工廠選址在西弗吉尼亞州前鋼鐵工業(yè)重鎮(zhèn) Weirton，而在緬因州林肯鎮(zhèn)，開發(fā)商正把一座關(guān)閉的造紙廠改造為全球最大的電網(wǎng)級電池儲能項目之一。

與此同時，比爾·蓋茨支持的另一家公司 TerraPower 正在懷俄明州 Kemmerer 一座即將退役的燃煤電廠附近建設(shè)先進裂變電站，其非核島土建工程已于 2024 年 6 月啟動。 與其簡單廢棄“碳時代”的工業(yè)基礎(chǔ)，不如在工程層面對其進行重構(gòu)，讓這些舊有設(shè)施服務(wù)于 “更清潔物理學(xué)”的新紀元，這正在成為美國能源基礎(chǔ)設(shè)施改造的一條重要路徑。