在人類不斷探索清潔能源的旅程中，可控核聚變技術是很多企業正努力摘取的“皇冠上的明珠”，總部位於美國馬薩諸塞州的聯邦聚變系統公司（CFS，Commonwealth Fusion Systems）就是其中之一。
近期，該公司宣佈，他們獲得了來自美國能源部高階研究計劃署能源署“查德威克計劃”250 萬美元的研究資助，這筆資金將用於開發新的計算材料工程，推進聚變能源技術的發展。
這家成立於 2018 年的公司源自美國麻省理工學院等離子體科學與聚變中心的研究成果。他們的目標是，在 2030 年代初期建成全球首座商業化核聚變發電站。
自 2021 年獲得近 20 億美元的 B 輪融資後，CFS 一直在加速推進核聚變技術從實驗室走向商業化的程序。
該公司的材料技術總監科迪·A·丹尼特（Cody A. Dennett）介紹說：“我們已經發展出核心工程專業知識，包括材料、加工和製造，這使我們（未來）能夠交付完整的聚變發電站，而不僅僅是磁體部件。”
核聚變發電的原理是透過巨大的力量使氫原子發生碰撞，這一過程可以產生大量的能源，這與正在迅速耗竭的化石燃料形成了鮮明對比。
與傳統核能發電不同，聚變過程不會產生放射性廢物，而是生成氦。
這項技術的關鍵在於一種名為託卡馬克（Tokamak）的裝置，它最早由前蘇聯物理學家在 20 世紀 50 年代發明。
以人類現有的技術水平，在託卡馬克裝置內，等離子體會被加熱到 1 億攝氏度，彷彿在地球上建造了一個“人造太陽”。
CFS 公司目前正在建設其第一個試驗裝置 SPARC（Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact），其核心技術就是託卡馬克裝置。
此外，該公司發明了先進的高溫超導磁體技術，允許裝置在更小的空間內產生更強的磁場。
這一突破性進展將使聚變裝置更加緊湊，大大降低了製造和運營成本。這項技術不僅將在 SPARC 試驗裝置中得到驗證，還將為未來建造商業發電站奠定基礎。
透過“查德威克計劃”的資金支援，該公司計劃重點開發兩種關鍵材料：一種是用於真空室結構的釩合金，它必須能夠在高溫下長期承受機器內部的強大力量；另一種是用於內壁的鎢合金，它必須能夠承受等離子體附近的極端條件。
這兩種材料都必須經受住聚變過程中的中子轟擊，而且都必須以足夠低的成本大量生產。
在材料研發過程中，科研團隊採用了多項創新方法。他們使用計算工程方法來設計真空室材料，透過多個計算機模型來預測材料在各種條件下的行為。這種方法不僅可以大大縮短產品開發週期，還能顯著降低研發成本。
材料的測試同樣至關重要。公司計劃與美國領先的製造公司展開合作，由它們負責原材料的生產。
隨後，這些材料將在美國密歇根大學密歇根離子束實驗室進行嚴格的輻照測試，模擬聚變機器內部的極端環境，確保材料能夠滿足未來商業化發電站的所有要求。
美國伍斯特理工學院教授威廉·麥卡錫（William McCarthy）認為，在未來二十年內實現商業化聚變發電是完全可能的。
他對媒體表示：“過去五年裡，核聚變領域獲得了大量私人投資，發展速度遠超預期。我非常希望看到在 15 到 20 年內，CFS 或其他初創公司能夠實現並展示一個聚變試點工廠。
如果他們能更快實現這一目標，那將令人倍感振奮。”
該公司全球政策和公共事務主管克里斯汀·卡倫（Kristen Cullen）對媒體表示：“聚變能源將成為人類最後需要的能源形式。”
CFS 計劃在 2030 年代初期使其發電站併網發電，而第一座核聚變發電站的選址很快就會宣佈。
這項突破性技術的發展對於應對氣候變化挑戰具有重要意義。與傳統能源相比，核聚變能源不會產生溫室氣體排放，這使其成為未來最具潛力的清潔能源之一。
值得一提的是，CFS 是“查德威克計劃”13 個獲獎機構中僅有的兩家企業之一（其餘皆是大學或研究機構），也是唯一一家致力於設計新材料的公司。
這個以發現中子的科學家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）命名的專案，旨在資助具有高風險、高影響力的能源科學和技術專案。
正如人們所預期的，聚變能源技術的發展正在以前所未有的速度推進。
儘管仍然存在一些工程挑戰需要克服，但在大量資金支援和技術創新的推動下，商業化核聚變發電的目標已然有了輪廓，我們或許很快就能見證人類歷史上第一座商業化核聚變發電站的誕生。
這將為解決全球能源危機和氣候變化問題帶來革命性的改變。屆時，這種清潔、安全、可持續的能源形式，將為人類社會的可持續發展提供強大動力。
參考資料：
https://www.wbjournal.com/article/fast-forward-to-2034-commonwealth-fusion-systems-attempt-to-provide-carbon-free-energy-for
https://cfs.energy/news-and-media/arpa-e-award-boosts-cfs-quest-for-the-best-fusion-power-plant-materials
運營/排版：何晨龍
