全球首台!中国公司建成运行全高温超导核聚变装置

2024-06-24 09:06  来源:界面新闻  浏览:  

近日,能量奇点能源科技(上海)有限公司(下称能量奇点)宣布,由该公司设计、研发和建造的洪荒70装置成功实现等离子体放电。该装置为全球首台全高温超导托卡马克装置,也是全球首台由商业公司研发建设的超导托卡马克装置。

据能量奇点CEO杨钊介绍,洪荒70具有自主知识产权,且国产化率超过96%。装置的设计工作始于2022年3月,总体安装于今年2月底完工,创造了全球超导托卡马克装置研发建造的最快纪录。

“洪荒70”放电瞬间 图片来源:能量奇点

能量奇点成立于2021年,是一家探索可商业化聚变能源技术的公司,主要研制有商业发电潜力的高磁场、高参数、标准化的高温超导托卡马克装置及其运行控制软件系统。

该公司曾于2022年和2023年分别进行过天使轮和Per-A轮融资,参投股东包括米哈游、蔚来等企业。

当前可控核聚变技术路线主要有三种,包括重力场约束核聚变、激光惯性约束核聚变和磁约束核聚变。其中,磁约束核聚变的研究装置主要包括托卡马克、仿星器、反向场箍缩及磁镜等。

据能量奇点联合创始人、COO叶雨明介绍,托卡马克研究路线是全球研究最充分、工程经验最丰富的一条可控核聚变技术路线。

托卡马克装置的中央是一个环形的真空室,外面缠绕着线圈,在通电时内部会产生巨大的螺旋形磁场,将其中的等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。

作为全高温超导托卡马克装置,洪荒70的全部磁体系统,包括环向场(TF)线圈、极向场(PF)线圈和中心螺线管(CS)线圈,均采用高温超导材料建造,整体建造成本约为1.5亿元。

高温超导材料是具有相对较高临界温度(通常高于40K,-233摄氏度)、可以在液氮温度(77K,即-196.15 摄氏度)下实现超导状态的材料。

杨钊表示,高温超导材料能够显著提升磁场的强度,更有效地约束等离子体,从而提高聚变反应效率。

洪荒70装置,图片来源:能量奇点

对于核聚变装置而言,Q值是一个至关重要的指标。它直接反映了聚变反应器的能量效益,即装置产生的能量与维持聚变所需投入的能量之比。Q>1,代表着输出的能量大于维持反应所需输入的能量,能量奇点的目标是做到Q>10,目前人类能够达到的最大Q值是1.53。

杨钊指出,如果要建设一台Q>10的托卡马克装置,使用高温超导材料能够使装置体积缩小至传统低温超导装置的2%左右,装置建造周期也将从原本的30年缩短至3-4年。

“虽然目前全球已经建造过一百多台托卡马克装置,但洪荒70所采用的高温超导托卡马克是这一领域的创新技术路线。高温超导对于磁约束聚变而言是一种新的材料,用高温超导材料来建造托卡马克,控制和约束等离子体,还没有先例可循。”杨钊表示。

叶雨明表示,此次洪荒70装置实现等离子体放电,验证了高温超导托卡马克技术路线的工程可行性,即用高温超导材料建造托卡马克,控制、约束等离子体,在工程层面可行。

洪荒70装置,图片来源:能量奇点

眼下,在全球可控核聚变高温超导托卡马克技术路线领域最为突出的公司是美国联邦聚变系统公司(CFS),该公司在2018年率先提出了Q≥10的小型化高温超导托卡马克装置SPARC的设计图,并于2022年开始建设,计划在2025年建成,较能量奇点早了两年。

能量奇点的计划是在2027年完成下一代强磁场高温超导托卡马克装置——洪荒170的建设,该装置以实现Q>10为目标。

叶雨明透露,洪荒170的磁场强度将是SPARC的110%,直径是SPARC的90%,体积则为SPARC的70%左右,能够实现进一步降本。

据能量奇点介绍,洪荒170建成后,将会成为全世界尺寸最小、成本最低的能够实现10倍能量增益的托卡马克装置。

为支持洪荒170的研发,能量奇点也在研发高温超导D形磁体,内部代号为经天磁体。该磁体目标达到25特斯拉的磁场强度,计划于今年年底完成制造和测试。目前已建成的洪荒70的磁场强度为2.5特斯拉。

据叶雨明介绍,洪荒170尚处于物理装置阶段,预计在明年年初开始进行工程设计。2030年后,能量奇点还将启动再下一代高温超导托卡马克装置——洪荒380的建设,目标建成可用于示范性聚变发电站的托卡马克装置。

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