未来属于核聚变

就突破性核聚变技术项目专访 Commonwealth Fusion Systems 创始人兼首席执行官。

Commonwealth Fusion Systems（CFS）是令人瞩目的公司之一，在能源领域站在科技前沿，且具有变革性思维。作为MIT等离子科学和聚变中心的衍生公司，CFS 自 2018 年成立以来一直在开发高温超导（HTS）磁体，并正在构建世界上第一个净能量增益聚变系统。这一颠覆性技术有望为全球提供无限的可持续清洁能源。

2021 年 12 月，JIMCO Technology Fund参与了CFS 的 18 亿美元旨在推动聚变能商业化的 B 轮融资，。投资延续了 JIMCO 对创新突破性技术的支持，这些技术将对推动全球经济的核心行业产生积极影响。

我们采访了 CFS 首席执行官兼联合创始人Bob Mumgaard和安利捷副总裁兼副主席Fady Jameel，与二位一起讨论了公司技术、其真正可持续能源的愿景，以及它如何适应 JIMCO 快速增长的先进技术创新者和颠覆者组合。

您能介绍一下 CFS 的背景和它的使命吗？

BM：CFS 建立在 MIT 等离子科学和聚变中心（PSFC）的人员和想法的基础上。数十年来，PSFC 一直专注聚变能，我们可以看到，这项技术将实现从实验室到商业化的飞跃。问题在于如何实现，我们可以做些什么来加快这一进程。2016 年，我们开始制定计划，基于在 MIT 开发的先进磁体技术，我们仍与 MIT 保持密切合作。到 2018 年，CFS 独立出来成立公司，并进行了首轮融资。下一步就是执行我们制定的技术计划。

能否用通俗的语言介绍一下核聚变能源系统背后的科学原理吗？

聚变过程与裂变过程完全相反（裂变通常也称为核裂变，或者我们今天在日常生活中常说的核能）。核裂变使原子分裂，而核聚变会收集最轻的原子（例如氢），将它们结合或者聚合在一起。

核聚变是宇宙的基本反应。这就是所有星球运作的方式—比如太阳。正是这种反应形成了我们内部的所有原子。

为了让这种反应在地球上的机器中发生，您需要在机器内部创造条件，复制星球内部的条件。温度非常非常高，大约有一亿摄氏度，所以会产生核聚变的材料—等离子体—感觉像在外太空，而不是在地球上。大多数已经开发出来的技术都是利用磁场来使等离子体绝缘。等离子加热到极高的温度，最终开始发生反应并产生能量。

© 由麻省理工学院（MIT ）和 MIT 等离子科学和聚变中心提供。

实现这一过程的两个关键因素是磁体以及机器的尺寸和形状。总的来说，磁体越强，绝缘性就越好。在机器方面，不同的形状对等离子体绝缘方式不同。大多数聚变能系统采用的机器叫托卡马克，包括 CFS，可以说是容纳聚变等离子体的“磁瓶”。

那么聚变能的突破之处在于什么？

BM：核聚变过程会释放巨大能量—每次反应释放的能量约为燃烧化石燃料的2亿倍。

这会产生一系列连锁反应。第一，这意味着燃料基本上是免费的。燃料不需要任何资源。它无处不在，随处可取。

这意味着能源与资源脱钩，从根本上改变了我们对能源和动力的看法。你不用再从地下挖东西，也不用等风来或者等太阳升起。只需要制造一台机器。

再一点就是，因为它和核（裂变）能完全相反，它没有缺点。它不存在原子连锁反应或核泄漏问题。你不必因为材料可以用于制作武器跟踪材料。不需要处置耐久的核废料。从这层意义来说，这是一个更洁净、更简单的过程。

您认为是否有某种技术突破可以推动这项技术的发展？

BM：是的，有这样的技术。托卡马克是目前最广为人知的核聚变方式。它被证明可以限制发生聚变的等离子体，并且性能比任何其他概念高出大约 1,000 倍。

不过，这也有一个很大的缺点：目前的托卡马克技术要求装置非常大型才能产生磁场，从而获得聚变净能量，需要建一个发电站。例如，各国正在通过国际合作在法国南部建名为 ITER 的机器，这是一个非常非常大型的设备。仅托卡马克机器的平台就有 1 公里长，400 米宽，相当于 60 个足球场。

我们认为，如果能制造出更强大的磁体，大大增强磁场，我们就能缩小托卡马克的尺寸，通过更小型且更便宜的机器获得聚变净能量。

因此，我们采用最新推出的高温超导体（HTS）来制造新的颠覆性磁体，它比现在的聚变磁体体积更小，磁场更强。

所以，通过开发合适配置的高温超导磁体，现在我们可以制造出非常小型的托卡马克，举个例子来说，大概比 ITER 小 40 倍，这对聚变系统来说是一个颠覆。

这些高温超导磁体有多强大？

BM：我们采用的磁体是 20 特斯拉[1]（20T），特斯拉是用来测量磁性的单位。这是同类中最强的聚变磁体。相比之下，一块 15T 的磁体可以提起 31 个埃菲尔铁塔，一块 19T 的磁体可以提起 403 个波音 747，而我们的 20T 磁体则可以提起一艘战舰。

这些高温超导磁体是在麻省理工学院（MIT）开发出来的吗？

BM：刚开始的时候，高温超导磁体非常少。有些材料就在身边，大家用它做出了较小型的磁体，但远达不到聚变机器的要求。

CFS 公司成立之初，我们的目标是尽快开发这种磁铁技术。这是公司与 MIT 合作最初三年的目标。大家都说至少需要 10 年时间。我们相信我们三年就能做到，并且我们做到了。

Fady，Abdul Latif Jameel 在投资可持续能源技术上一直眼光独到。Commonwealth Fusion Systems 有什么特别之处引起了你们注意？

FJ：我们起初因为MIT的关系注意到 CFS。MIT与我们的核心和业务密切相关，我们非常重视他们的意见。无论是在商业上还是在慈善事业上，我们双方都有成功合作。

当我们听说 CFS 时，我们立刻产生了兴趣，因为我们本身就在参与可再生能源技术，包括太阳能和风能，以及最近介入的绿色氢能。CFS 开辟了一条转型之路，其革命性的技术能帮助全球更快地实现脱碳，我们希望能参与其中，提供我们的支持，协助并加快这一进程。

我和主席参加了格拉斯哥召开的第 26 届联合国气候变化大会（COP26），我们发现大家都对聚变能兴趣浓厚。聚变能带来的改变引起了巨大反响，可能比今天拥有的其他技术更快实现目标。

如果不是责任，您认为私人资本是否有机会加速开发这样的突破性技术，创造可持续的未来？

FJ：有机会。我认为私人资本和家族企业的优势就是有恒心和毅力。他们有能力进行长期投资，因为他们没有一大群股东要求他们在三到五年内获得回报。因此，我认为这对他们是难得的机会，也可以说是一种责任，投资这类突破性的未来技术，作为其业务持续性的一部分，也是对子孙后代负责。

全球还有其他建设中的聚变能项目。CFS 的技术如何从中脱颖而出？ 是磁体吗？

BM：我们的目标是利用已被证实的科学技术，开发能够实现商业化的新技术，尽快推动聚变技术发展。

这就是我们采用托卡马克的原因—它是性能最强大、最为人所知的核聚变方式。然后，我们弥补了它的缺陷，我们能建造出合适的规模，这得益于高温超导磁体。将高温超导磁体技术加入托卡马克，我们就能以最快的速度实现聚变能商业化。

不仅仅是我们的磁铁技术让 CFS 与众不同。我们还是一个非常协作的团队。我们在不同的实验室和机构之间协同工作。我们会公开我们的研究工作，进行同行审议，提出问题。我们不断问自己：“怎样才能做得更好？” 我们接受批评的水平独具一格。这样做是因为我们知道，作为加速的进步的方法，这种方法已经在业内一次又一次地得到证实，能够更快推向全球。随着气候变化，我们一直在与时间赛跑，因此我们想要快速行动，全力以赴。

旦实现商业化，这项技术是会取代太阳能和风能，还是作为补充？

BM：很明显是一种补充。能源是人类历史上最大的市场，但我们必须彻底改变生产方式。这是一项艰巨的任务，但这是能源转型必需的。

我们应尽可能快地部署我们今天拥有的技术，比如风能和太阳能，这些都是我们现有技术。它们并不理想，但比向空气中排放更多的碳要好得多。如果不解决能源问题，就无法应对气候变化。

核聚变提供了另一种补充工具，零排放、零碳、无资源提取、无高放射性核废料，且能量密度非常之大，意味着非常小型的工厂即可产生大量能量。这是一种非常独特的能量组合。

Bob，您说要在 21 世纪 30 年代初实现聚变能商业化。下一步要做什么来实现这一目标？

BM：我们第一个里程碑是建造了高温超导磁铁，并证了明其的可用性。就在 [2021 年] 9 月我们实现了这一目标。下一个里程碑是构建并运营 SPARC。SPARC 是一个商业化净能量聚变托卡马克，采用的是高温超导磁体技术。建成后将是首个净能量托卡马克，这意味着产生的能量要比加热等离子体的能量多得多。SPARC 产生的能量是其消耗能量的 10 倍，这是商业系统所需要的，我们的目标是在 2025 年实现这一点。

SPARC 本身不给电网供电。我们正在构建另一个系统来实现这一点，第一个核聚变电站，我们称为 ARC。

SPARC 正在建设中，预计 2025 年投入使用。它不仅会极大地提高我们对等离子体物理学和托卡马克的理解，还会增加我们建设电站的经验，了解运行成本。这让我们对商业部门 ARC 的运营方式充满了信心。通过 SPARC，我们将进一步了解它的运行方式、它的运行成本，以及给电网供电需要什么。我们的目标是到 21 世纪 30 年代初建成并运行 ARC。

您最期待 CFS 在未来几年为实现目标作出哪些努力？

FJ：我们非常高兴，也很期待共同开启新的旅程。

我们愿意提供任何帮助。希望能真正推动这项事业。对我们来说不仅仅是为了赚钱。

这是JIMCO的一个新方向，也有望成为行业和社会的一个新方向。

BM：我们已经顺利开启了这段旅程。眼下就在做这件事。我们很期待。也很有信心。过去，我们总在执行宏伟的计划，即使面对质疑，我们也在实现这些计划上交出了满意答卷。我们希望能继续保持这一势头，与更多合作伙伴合作，为未来铺平道路，为下一阶段做好准备。

[1] 特斯拉（T）是国际单位制中磁场强度 B 的导出单位。一特斯拉相当于一韦伯每平方米。1 T in：等于 SI 基本单位：1 kgs−2s−1A−1 符号：T 推导：1 T = 1 Wb/m2