在人类不断探索清洁能源的旅程中，可控核聚变技术是很多企业正努力摘取的“皇冠上的明珠”，总部位于美国马萨诸塞州的联邦聚变系统公司（CFS，Commonwealth Fusion Systems）就是其中之一。
近期，该公司宣布，他们获得了来自美国能源部高级研究计划署能源署“查德威克计划”250 万美元的研究资助，这笔资金将用于开发新的计算材料工程，推进聚变能源技术的发展。
这家成立于 2018 年的公司源自美国麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的研究成果。他们的目标是，在 2030 年代初期建成全球首座商业化核聚变发电站。
自 2021 年获得近 20 亿美元的 B 轮融资后，CFS 一直在加速推进核聚变技术从实验室走向商业化的进程。
该公司的材料技术总监科迪·A·丹尼特（Cody A. Dennett）介绍说：“我们已经发展出核心工程专业知识，包括材料、加工和制造，这使我们（未来）能够交付完整的聚变发电站，而不仅仅是磁体部件。”
核聚变发电的原理是通过巨大的力量使氢原子发生碰撞，这一过程可以产生大量的能源，这与正在迅速耗竭的化石燃料形成了鲜明对比。
与传统核能发电不同，聚变过程不会产生放射性废物，而是生成氦。
这项技术的关键在于一种名为托卡马克（Tokamak）的装置，它最早由前苏联物理学家在 20 世纪 50 年代发明。
以人类现有的技术水平，在托卡马克装置内，等离子体会被加热到 1 亿摄氏度，仿佛在地球上建造了一个“人造太阳”。
CFS 公司目前正在建设其第一个试验装置 SPARC（Soonest/Smallest Private-Funded Affordable Robust Compact），其核心技术就是托卡马克装置。
此外，该公司发明了先进的高温超导磁体技术，允许装置在更小的空间内产生更强的磁场。
这一突破性进展将使聚变装置更加紧凑，大大降低了制造和运营成本。这项技术不仅将在 SPARC 试验装置中得到验证，还将为未来建造商业发电站奠定基础。
通过“查德威克计划”的资金支持，该公司计划重点开发两种关键材料：一种是用于真空室结构的钒合金，它必须能够在高温下长期承受机器内部的强大力量；另一种是用于内壁的钨合金，它必须能够承受等离子体附近的极端条件。
这两种材料都必须经受住聚变过程中的中子轰击，而且都必须以足够低的成本大量生产。
在材料研发过程中，科研团队采用了多项创新方法。他们使用计算工程方法来设计真空室材料，通过多个计算机模型来预测材料在各种条件下的行为。这种方法不仅可以大大缩短产品开发周期，还能显著降低研发成本。
材料的测试同样至关重要。公司计划与美国领先的制造公司展开合作，由它们负责原材料的生产。
随后，这些材料将在美国密歇根大学密歇根离子束实验室进行严格的辐照测试，模拟聚变机器内部的极端环境，确保材料能够满足未来商业化发电站的所有要求。
美国伍斯特理工学院教授威廉·麦卡锡（William McCarthy）认为，在未来二十年内实现商业化聚变发电是完全可能的。
他对媒体表示：“过去五年里，核聚变领域获得了大量私人投资，发展速度远超预期。我非常希望看到在 15 到 20 年内，CFS 或其他初创公司能够实现并展示一个聚变试点工厂。
如果他们能更快实现这一目标，那将令人倍感振奋。”
该公司全球政策和公共事务主管克里斯汀·卡伦（Kristen Cullen）对媒体表示：“聚变能源将成为人类最后需要的能源形式。”
CFS 计划在 2030 年代初期使其发电站并网发电，而第一座核聚变发电站的选址很快就会宣布。
这项突破性技术的发展对于应对气候变化挑战具有重要意义。与传统能源相比，核聚变能源不会产生温室气体排放，这使其成为未来最具潜力的清洁能源之一。
值得一提的是，CFS 是“查德威克计划”13 个获奖机构中仅有的两家企业之一（其余皆是大学或研究机构），也是唯一一家致力于设计新材料的公司。
这个以发现中子的科学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）命名的项目，旨在资助具有高风险、高影响力的能源科学和技术项目。
正如人们所预期的，聚变能源技术的发展正在以前所未有的速度推进。
尽管仍然存在一些工程挑战需要克服，但在大量资金支持和技术创新的推动下，商业化核聚变发电的目标已然有了轮廓，我们或许很快就能见证人类历史上第一座商业化核聚变发电站的诞生。
这将为解决全球能源危机和气候变化问题带来革命性的改变。届时，这种清洁、安全、可持续的能源形式，将为人类社会的可持续发展提供强大动力。
参考资料：
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
运营/排版：何晨龙
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