核融合(Nuclear Fusion)目前的進展,相關企業有哪些?

核融合

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10倍股法則》一書裡的:

  • 3-7小節168-169頁。

核融合發電

核能

關於核能,請見我另一篇專文的介紹:《核能(Nuclear Energy)目前的發展,以及相關公司》。

簡介

核融合發電的機制是通過原子核之間的融合來獲取能量。不燃燒化石燃料,不產生二氧化碳。作為燃料的重氫(氘)等可從海水中提取。現有核電站產生的高放射性廢棄物不會在核融合發電中產生,這是其優點,作為成為實現去碳化社會的殺手鐧的新一代能源。

基本原理

融合發電是類似氫的較輕原子核相互融合、形成氦等較重的原子核的反應,可以通過較少的燃料產生巨大的能量。在理論上,1克燃料可產生的熱量與相當於一輛油罐車約8噸石油相同,達到目前核電站發生的核裂變反應的4倍。

太陽就是使用核融合

太陽也是透過融合反應而釋放出巨大的熱量,因此融合反應爐被稱為人造太陽。由於核融合燃料及其原料存在於海水中,因此資源供應的隱憂也較少。只要停止燃料供給,反應很快就會停止,因此與傳統的核電站相比,安全性更高。

如何產生能源?

如果借助核融合反應產生的熱量,利用水製造蒸汽,推動渦輪機旋轉等,就可以發電。核融合發電與燃燒石油和天然氣的火力發電不同,不排放二氧化碳,因此也成為去碳化的王牌。

核融合最新的發展

核融合使用的主要技術

核融合有多種方式,大致上分為兩種:

  • 第一種是利用磁場封閉燃料——氫氣等離子體(電離氣體)的「磁場方式」。在實用化方面,磁場方式技術目前遙遙領先。
  • 第二種是利用雷射等的作用封閉燃料的「慣性方式」。美國能源部旗下的研究所2022年12月發佈「凈能量增益」成果屬於這種技術。

核融合的優點

核融合的優點至少有以下幾點:

  • 第⼀,產⽣核融合反應的原料充沛;做為燃料的氫同位素在地球上相對豐富,「氘」可從海⽔中提取,⽽「氚」可從核融合反應本⾝產⽣的中⼦⽣成。
  • 第⼆,安全性⾼,原料不會爆炸,發⽣類似⽇本福島核能事故機率低,沒有反應爐熔毀的風險,且無核武擴散疑慮。
  • 第三,不排放溫室效應氣體。
  • 第四,核融合產⽣的低放射性副產物數量低,在百年後便將⾄安全劑量值以下。相對於傳統核分裂反應爐所產⽣的輻射污染物,核融合⽣成的放射性廢料壽命很短。
  • 第五,巨大的能量效率。在理論上,1克燃料可產生的熱量與相當於一輛油罐車約8噸石油相同,達到目前核電站發生的核分裂變反應的4倍。

目前發展最新的進度

為了到2030年代實現商用化,核融合技術開發正在逐漸取得進展。美國能源部2022年12月宣布,實驗中生成的能量超過了為產生核融合而投入的能量,是一項核融合重大的里程碑。

企業方面也採取了行動。微軟(美股代碼:MSFT)與涉足核融合發電的美國初創企業Helion Energy簽署了合約,計劃從2028年開始的電力購買協議。據稱這是世界上首次簽署核融合的售電合約。

美夢何時成真?

產業人士在2024年5月時表示,在技術取得重大進展和民間大舉投資激勵下,美國核融合領域有望在10年內開始商轉發電,並於2030年代連結至電網。

根據核融合產業協會(FIA)調查,全球約2/3新創公司認為,第1座核融合發電廠最晚將於2035年連結至電網。

著名的民間相關企業

核融合發電有多熱門?

核融合發電成熱議話題,根據國際原⼦能總署(IAEA)在2022年底的統計資料,⽬前全球核融合裝置共 133 座,美國囊括近 1/4 數量。其中,建造和規劃中共39座;以國家來看,美國最多31 座,⽩宮在2020年和融項⽬投入經費達 6.71 億美元以上。另依序為⽇本、俄國、中國、英國,皆以政府資助為主,少數由私⼈公司資助。

全球主要的民間相關企業

企業名稱所屬國家融資金額(Q2 2022為止)
Commonwealth Fusion System美國20億美金
TAE Technologies美國10億美金
Helion Energy美國6億美金
General Fusion加拿大3.5億美金
拖卡馬克能源(Tokamak Energy)英國2.5億美金
Zap Energy美國2億美金
新奧集團(ENN)中國2億美金
Kyoto Fusioneering日本1億美金

上市企業

因為核融核目前尚未商業運轉,全世界目前並沒有以核融核為主要業務的企業上市。但最接近上市的一家是Oklo。

Oklo是一家由OpenAI執行長阿爾特曼資金支持的核裂變初創公司,2023年7月時透露計劃通過與阿爾特曼旗下的特殊目的收購公司(SPAC)合併上市。

已有不少初創公司

自2010年代後期以來,全球出現了許多核融合初創公司,募集到巨額資金,其中大部分是私人投資。還出現了被稱為三強的企業,力爭到2030年代投入實用。其中之一的英國託卡馬克能源公司2022年3月在企業之中首次實現了核融合反應所需的1億攝氏度的等離子體。為了長時間保存放入球狀容器的等離子體,將致力於開發使用強力超導磁鐵的技術,到2026年將建設實驗反應爐。

中核集團

中核集團在2023年7月已與中國第⼀家聚焦聚變能開發的商業公司(媒體報導猜測可能是能量奇點這家公司)正式簽訂了全⾼溫超導核聚變裝置總裝合約,承建全球⾸個全⾼溫超導核聚變實驗裝置。這個全⾼溫超導核聚變實驗裝置即屬於托卡⾺克路線,完成後將成為全球⾸台建成運⾏的全⾼溫超導托卡⾺克裝置。

而中核集團也實際負責研發製造國際熱核融合實驗反應爐(ITER)裡面最重要磁體⽀撐磁體⽀撐產品,這是ITER重要結構安全零件之⼀,負責⽀撐整個熱核聚變實驗堆反應爐的核⼼裝置——磁體,其質量和進度關係到整個ITER裝置的運⾏穩定性和裝配進度。

2023年8月25日新一代人造太陽「中國環流3號」取得重大科研進展,首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行,再次刷新中國磁約束聚變裝置運行紀錄。此次突破了等離子體大電流高約束模式運行控制、高功率加熱系統注入耦合、先進偏濾器位形控制等關鍵技術難題,是中國核聚變能開發進程中的重要里程碑。

中核集團核工業西南物理研究院科技委主任劉永說:「我們中國聚變團隊,處於國際上的第一方陣,在大部分領域實現了並跑,在部分領域實現了領跑」,「預計在新中國成立100周年(2049年)的時候,聚變能可以走進千家萬戶。

能量奇點

能量奇點成立於2021年,是中國首家聚變能源商業公司,業務聚焦於開發高磁場、高參數、緊湊型高溫超導託卡馬克裝置等。2024年前將實施第一步發展戰略,研發和建設全球首台基於全高溫超導磁體的緊湊型託卡馬克實驗裝置。在2023年年底,能量奇點將結合高溫超導先進託卡馬克和人工智慧技術,建造全世界第一台全高溫超導託卡馬克,探索緊湊高約束先進託卡馬克運行模式。

能量奇點還計劃,到2027年,設計、建造一個穩態、強磁場高溫超導先進託卡馬克,全面驗證並奠定可高效獲取聚變能的科學技術基礎;到2030年,建設示範電站。

Commonwealth Fusion Systems

源自美國麻省理工學院的美國聯邦聚變系統(Commonwealth Fusion Systems,CFS)已累計籌集超過20億美元。是該產業募資最多的新創企業。該公司計劃明年啟用核融合示範反應爐SPARC,並在2030年代初期啟用首座核融合發電廠。

Helion Energy

美國華盛頓州核融合新創公司Helion Energy甚至在2023年與微軟簽署供電合約,力拚2029年前使發電量達到50MW。

Tokamak Energy

英國拖卡馬克能源(Tokamak Energy)則在提高核融合反應效率的技術等方面增加專利申請數量,在數量上壓倒其他企業。

General Fusion

源自美國麻省理工學院的美國聯邦聚變系統公司也將使用超導磁鐵。生成的能量多於投入能量的實驗反應爐將於2025年投入運行。加拿大General Fusion將使用一種用液態金屬包裹和壓縮等離子體的自主技術。該公司計劃在2027年之前在英國啟動實驗性反應爐。

EX-Fusion

而源自日本大阪大學的初創企業EX-Fusion將在日本國內建設對反覆發生雷射核融合反應的技術實施驗證的全球首個實證反應爐,目標是希望2030年前能商業化。

企業的進度快於政府

三家企業分別籌集了2.5億美元~20億美元以上的資金,均力爭在2030年代初期實現核融合發電的商業化。如果成功實現,與日本、美歐、中國和印度等參加的國際熱核融合實驗反應爐(ITER)計畫瞄準的21世紀中期相比,實用化時程將大幅提前。

主要國家資助的發展

國家主要成就,進度,計劃
中國相關專利排名全球首位。
爭取到2030年代啟用具備發電能力的實驗反應爐CFETR。
相關計劃規模超越ITER。
美國美國聯邦聚變系統公司使用超導磁鐵。
實驗反應爐將於2025年投入運行。
美國能源部長格蘭霍姆2023年9月25日表示,希望在十年內打造可商業運轉的核融合設施。
英國拖卡馬克能源公司2022年3月在企業之中首次實現了核融合反應所需的1億攝氏度的等離子體。
加拿大加拿大General Fusion計劃在2027年之前在英國啟動實驗性反應爐。
日本日本量子科學技術研究開發機構(QST)與歐盟共同合作,全世界最大的托卡馬克核融合實驗裝置JT-60SA已在2023年12月落成並開始運作。

中國

中國的存在感也在增強。中國正在爭取到2030年代啟用具備發電能力的實驗反應爐CFETR,比國際熱核融合實驗堆的規模更大。日本調查公司Astamus根據在日美歐中等30個國家和地區申請的相關專利,給競爭力評分後排出名次。結果顯示,按申請專利的企業和研究機構的國籍來看,中國排在首位。2015年以後,中國大幅增加重要專利,超過了美國。中國科學院等擁有重要的專利技術。

中國有「⼈造太陽」之稱的全超導託卡⾺克核融合實驗裝置(EAST) 在2023年4月, 創造新的世界紀錄,成功實現穩態⾼約束模式等離⼦體運⾏403秒,對探索未來的聚變堆前沿物理問題,提升核融合能源經濟性、可⾏性,加快實現聚變發電具有重要意義。

其實EAST在2022年1月就曾創下成功在攝⽒7,000 萬度⾼溫下維持17分鐘之久的紀錄。EAST 設施過去已經將電漿溫度升⾼到攝⽒1.6億度並持續20秒,並在2021年5⽉維持攝⽒1.2億度101秒,並在同年12⽉30⽇在 7,000萬度保持 1,056 秒紀錄。

目前核融合技術最先進,發展也最積極的是中國。目標是2030年代開始運行規模比ITER大一圈、具有發電能力的原型反應爐「CFETR」。

美國

美國能源部在2022年12月宣布,位於加州的勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)的⼀次核融合反應中,產出約 3.15 百萬焦⽿(MJ)的能量,約是雷射所⽤能量 2.05 百萬焦⽿的 150%,意即⾸度在核融合反應達成產出的能量遠⾼於引發反應所使⽤能量。是核融合史上的重要里程碑,有助發展潔淨能源。因為物理學家從1950年代就致⼒於研究核融合反應,但所產⽣的能量始終超過融合反應所耗⽤的能量,亦即無法產⽣淨能量增益。

但這只是一次性的瞬間反應。實用化需要進一步提高效率,讓反應持續下去。該實驗室主任金·布迪爾(Kim Budil)也在成果發布記者會上表示,商用化可能將在數十年後。初創企業是否有大量民間資金湧入、開發是否加速、實用化時間能否提前,將成為今後的焦點。

美國能源部在2023年5月31日宣布,8家研究核融合能源的美國公司將獲得4600萬美元的資金,用於開發核融合發電試點工廠。預計將在2035年至2050年之間的某個時候實現商用化。

ITER

目前世界上最⼤的國際核融合研究計畫由35國政府集資,已在法國興建⼀座實驗型核融合反應爐國際熱核融合實驗反應爐(ITER)計畫,造價⾼達220億美元,計劃在2035年啟動運行,發生核融合反應並產生熱量。ITER原先規劃時就是30年計畫,但依照⽬前進度,最快2025年才能出現實驗結果,真正到商業運⽤最快也得等到2035年。

ITER的⽬標是從電漿物理實驗研究到⼤規模電⼒⽣產的核融合發電廠,建成後將成為世界上最⼤的磁約束電漿物理學實驗場,同時也是⽬前建設中、世界上最⼤的實驗性托卡⾺克(Tokamak)核融合反應爐。

ITER 尋求的是⼀種相對低風險但成本較⾼的融合⽅式,稱為磁約束融合(magnetic confinement fusion),當氫的兩種同位素氘、氚原⼦於托卡⾺克環形反應爐內被
超強磁場⻑時間擠壓時,會被加熱成等離⼦體。

日本

資金實力較弱的日本企業將在零部件的銷售等方面尋找出路。接受三菱商事等16家公司出資的源自京都大學的初創企業Kyoto Fusioneering在2023年將向英國原子能管理局(UKAEA)交付核融合研究反應爐的主要設備迴旋振盪管。此外,還力爭在從反應爐中提取熱量的包層(blanket)等零件領域擴大市場份額。另一家企業Helical Fusion繼承了日本自然科學研究機構核融合科學研究所的技術,目標是推動穩定運轉螺旋型的實用化,推進零件的開發等。

核融合的投資

過去2年美國民間部門對核融合領域的投資總額躍增一倍,到2023年底為止達到59億美元相較下,公部門投資總額為2億7100萬美元。

創投業

根據市調機構Pitchbook數據,在2015⾄2021間,美國創投交易量成⻑54%,以美元計價交易額成⻑近3倍,其中核能領域交易量成⻑3.25倍,交易額激增逾36倍,同期氣候領域交易量則成⻑2.14倍,交易額則增加近13.5倍!

私募基金

總部位於華盛頓特區的核融合產業協會(Fusion Industry Association)已追蹤50多億美元的私⼈資⾦,有7家公司籌到⾄少2 億美元。⽽75%的核融合籌資發⽣在這兩年。

基金業

推特(美股代碼:TSLA)和優步(美股代碼:UBER)的早期風險投資⼈Chris Sacca成立了⼀家叫做Lower Carbon Capital的公 司, 推出⼀⽀核融合基⾦,投資⼈包括企業、校產基⾦和家族辦公室。Lower Carbon Capital的投資包括Avalanche Energy ,後者的執⾏⻑Robin Langtry 表⽰,該公司專注於⼩型系統,可⽤商⽤設備快速構建和測試。

著名的個人投資人

Open AI執⾏⻑奧特曼把職涯中最⼤的⼀筆押注放在更有未來感的公司:他已投資3.75億美元在核融合新創公司Helion Energy。

除奧特曼外,貝佐斯(Jeff Bezos)、比爾蓋茲(Bill Gates)、提爾(Peter Thiel)和馬克·貝尼奧夫(Marc Benioff)等億萬富豪和科技公司創辦⼈,也想運⽤為太陽和恆星提供動能的核融合反應,來提供幾乎是無上限的能量。

比爾蓋茲、貝佐斯願意贊助新型的核電技術研發,投資這一家專門以核融合製造乾淨能源的美國新創公司 — Commonwealth Fusion Systems。

貝寶(美股代碼:PYPL)聯合創始人兼矽谷投資者提爾(Peter Thiel)支持華盛頓州雷德蒙德的Helion Energy。微軟聯合創辦人保羅艾倫(Paul Allen)投資了加州爾灣的Tri Alpha Energy,據報導,該公司已籌集到 1.4 億美元。 亞馬遜(美股代碼:AMZN)創辦人貝佐斯的投資基金正在支持一家名為 General Fusion 的溫哥華公司,該公司迄今已籌集到9400萬美元。

賽富時(Salesforce,美股代碼:CRM)創辦人貝尼奧夫形容核融合是「聖杯」,「神話裡的獨⾓獸」。他投資旨在創建⼩型發電廠、⾃⿇省理⼯學院分拆出來的Common wealth Fusion Systems;而比爾蓋茲也是這家公司的投資⼈。

為何著名科技人有志一同?

他們押注的這個產業,是數⼗年來建置核融合反應爐的⽬標再過幾年就能成真。獲利可能達千倍。昇陽(Sun Microsystems,美股代碼:ORCL)共同創辦⼈科斯拉(Vinod Khosla)投資衍⽣⾃威斯康辛⼤學麥迪遜分校的Realta Fusion 。 作為⼀位投資⼈,科斯拉覺得,「要麼損失你的錢,要麼賺上1000倍」。

科斯拉不斷研發多個核融合設計,為加快研發速度,除了Common wealth Fusion Systems,還投資另一家核融合公司Realta Fusion。他認為,只要所投資的公司裡有一家能成功,就能讓地球有更好未來。他指出,核融合投資只有兩種結果,即「不是賠掉所有錢,就是獲利上千倍」。

美國前能源部長、現為能源未來倡議(EFI)執行長莫尼茲(Ernest Moniz)表示,在2030年前很可能有至少一家或兩家公司,能證明核融合可實際應用。

核融合
credit: energy.gov

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