过去五年来，私人核聚变开发商的数量急剧增加。其中几家公司最初只是大学实验室的一个想法，直到他们获得了美国能源部高级研究计划署（ARPA-E）或科学办公室下属的聚变能源科学（FES）项目的研发资金。

现在，美国拥有的私营核聚变能源公司数量超过任何其他国家，它们吸引了全球 60 多亿美元私营核聚变企业股权投资中的 80%。这些公司为公私合作提供了“拉力”，与国家实验室设施和研究人员、材料和服务供应商以及愿意将资金投入特定核聚变技术的投资者和潜在电力购买者建立了联系。公共和私营部门既单独行动，又共同行动，构成了一个核聚变能源生态系统，正在解决共同和独特的研发需求，部分资金来自成本分担伙伴关系。

国会在《2020 年能源法案》中责成 FES“支持美国发展具有竞争力的核聚变能源产业”。FES 正在设立新项目，以加速基础研究，在私营部门开发具有成本效益的创新型核聚变能源技术，同时制定路线图，使其活动与美国商业核聚变能源十年宏伟愿景（2022 年公布）和美国能源部的《2024 年核聚变能源战略》保持一致。

FES 并未将所有资源投入到聚变能源公私合作中。现有的聚变和等离子体科学项目以及包括 ITER 在内的国际研发伙伴关系也是其中的一部分。但在这里，我们的重点是公私合作，就像 6 月初白宫活动上美国能源部公布新战略和计划时一样。

三个 FES 公私合作项目——INFUSE（聚变能创新网络）、里程碑式聚变开发项目和 IFE-STAR（惯性聚变能科学与技术加速研究）——以及 ARPA-E（通过 ALPHA、BETHE 和 GAMOW 项目支持聚变概念）是本图的核心。它们与参与一个或多个项目的 23 家私营聚变公司相关联，同时开发托卡马克（蓝色）、仿星器（浅绿色）、惯性/激光（青绿色）和替代（橙色）聚变技术概念。

公司的项目越多，其在这个网络中的节点就越大。公司从单个项目获得的奖项越多，其与项目中心之间的连接线就越粗。例如，Commonwealth Fusion Systems 迄今已获得 21 个 INFUSE 奖项——比任何其他私营公司都多。

请继续阅读以了解有关此处绘制的计划和公司的更多信息，以及属于聚变生态系统的其他公司、大学和实验室。

你是什么类型的？

仅达到太阳核心 1500 万摄氏度的温度还不足以在地球上实现核聚变，因为地球上的气压较低。必须限制一个由带正电的原子核和负离子组成的湍流等离子体，其温度比太阳高 10 倍。目标是：使密度、限制时间和等离子体温度的三倍乘积最大化_。_

几十年来，磁场、激光和电力一直是核聚变发展的首选工具。使用其中一种（或多种，采用混合方法）方法的私人核聚变开发商需要能够承受极端环境的材料，并且需要可持续的燃料循环——通常包括氘和氚。这里分为四种技术类型（托卡马克、仿星器、惯性/激光和替代概念）的公司中，没有两家以完全相同的方式进行这项工作。




上图为23家参与美国能源部资助的公私合作项目的关键聚变公司，这些公司根据不同的约束方法进行分组。代表）是最常见的。根据里程碑式核聚变发展计划，八家公司承担了核聚变试验工厂设计合同，这些公司被贴上了蓝色标签。

其他美国核聚变曼哈顿

本期专题主要关注已成功申请美国能源部资助的核聚变研发项目的23家主流核聚变武器：INFUSE、IFE-STAR、Milestone计划以及ARPA-E的ALPHA、BETHE和GAMOW。但它们不是美国唯一的商业核聚变竞争者。其他总部位于美国并致力于核聚变设计的公司包括：

向里程碑迈进

2021年美国国家科学院的报告_《将核聚变引入美国电网》_和2020年美国能源部核聚变能源科学咨询委员会（FESAC）的长期计划（LRP）建议美国建造和运营一个50兆瓦的核聚变试验工厂，以帮助将核聚变推向商业呼吸。但从目前几种技术类型和目前主流公司的设计中选择一种设计是一项艰巨的任务。

FES建立了里程碑式的聚变发展计划，并于2023年5月宣布由八家家居公司组成的信念投资组合。选定的公司（此处用蓝色载体表示）将在五年前获得永久性的计划18个月的总资金4600万美元，该计划仿效其他联邦资助的里程碑式付款计划，例如NASA的商业轨道运输服务（COTS）。每家公司都将解决科学和技术难题，并为聚变试验工厂设计方案。

里程碑计划的合同条款非常灵活，包括里程碑和知识产权保护，但谈判这些条款却非常困难。6月初，即宣布中标者一年多后，美国能源部宣布所有八家公司都已签署合同。

ARPA-E：核聚变创新孵化器

几位 ARPA-E 获奖者与未在此提及的团队成员合作开展了他们的研发项目。三名获奖者参与了多个 ARPA-E 聚变计划：华盛顿大学西雅图总部、洛斯阿拉莫斯国家实验室和橡树岭国家实验室。单个计划的五名获奖者获得了多个项目的资助：洛斯阿拉莫斯国家实验室、罗彻斯特大学、橡树岭国家实验室、普林斯顿物理实验室ARPA-E还通过聚变诊断探索性主题和OPEN研究资助呼吁聚变研究。

ALPHA

2013年，ARPA-E开始开发ALPHA（加速深度热点加热和聚合），以“通过开发新的焦点聚变路径工具，为聚变研究创造更多选择”。ALPHA专门针对等深度深度低密度磁场和高密度惯性约束选项之间的技术方法。2015年有9个项目获得选拔资助。

ALPHA聚焦：Zap Energy

Zap Energy的FuZE（聚变Z箍缩实验）中的茄克。（图片：Zap Energy）

2017年，华盛顿大学西雅图分校获得了600多万美元的ALPHA项目资金，即“用于聚变的流动Z箍缩”，Zap Energy从该校分离出来。后来，Zap Energy直接获得了ARPA-E的资助，对于BETHE项目，该项目旨在通过剪切流稳定性来提高Z箍缩性能。

BETHE

接下来是BETHE，是2019年宣布的一个计划的缩写（突破性热核聚变能源），以德裔美国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）的名字命名。BETHE为三个研究类别的 18 个项目提供资金：(A) 概念开发、(B) 组件技术开发和 (C) 能力团队，以改进和应用现有能力（例如机器学习），以加速多种聚变概念的开发。BETHE目标是“越来越多的私人资助聚变公司……这些公司可能会降低成本、规模、复杂性和发电能力”，但难以获得足够的资金来实现里程碑式的业绩。

BETHE聚焦：Thea Energy

Thea Energy 的平面磁体结构简化了维护和操作。（图片：ARPA-E/Thea Energy）。

Thea Energy基于普林斯顿大学和普林斯顿物理实验室开发的技术，该技术获得了BETHE项目（B类）的300万美元资助，用于“使用永磁体简化仿星器”。该公司于2022年分拆出来（最初名为普林斯顿仿星器），计划使用超导平面磁体线圈来控制仿星器。

GAMOW

GAMOW 是另一个缩短词（Galvanizing Advances in Market-aligned fusion for an Overabundance of Watts），这次是为了纪念苏联美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）。2020年，GAMOW宣布资助 ARPA-E和FES联合资助的14个项目。针对聚变能子系统和交叉领域的研发，包括新型聚变材料以及聚变相关材料和部件的先进性和增材制造。

SRNL对聚变燃料循环的愿景概述。燃料循环会生成新的氚并恢复未燃烧的氚，对其进行净化，然后准备将其送回反应堆。（图片：萨凡纳河国家实验室）

GAMOW聚焦：SRNL

萨凡纳河国家实验室正在研究适用于多种聚变能源概念的经济高效的违约氚聚变燃料循环技术和工艺。萨凡纳河国家实验室通过GAMOW获得了两项奖励：230万美元“快速聚变燃料循环的EM增强型HyPOR回路”，150万美元用于“直接LiT消耗的工艺强化扩大”。

INFUSE连接公共和商业部门

FES于2019年启动了INFUSE，以美国能源部核能办公室的GAIN计划为蓝本。与GAIN一样，INFUSE部门能够利用美国能源部国家实验室和美国学术机构的专业知识和能力，因而有限范围的研发需求。

INFUSE 已经颁发了 91 项分摊奖励，价值总达 1930 万美元，截止论文写作时，2024 财年的奖励正在拍卖。INFUSE 考虑项目属于以下六个主题之一：使能技术、材料科学、等离子体诊断、建模和仿真、独特的聚变实验能力以及商业化途径。

2019财年至2023财年期间通过INFUSE获得资助以与聚变行业公司合作的国家实验室和大学列在右侧，其与左侧的卡斯部门合作伙伴相关联。一对合作伙伴共享的INFUSE项目越ORNL 和 Commonwealth Fusion Systems 是记录 INFUSE 项目最多的一对，总共七个。

从数字来看

INFUSE 有关主题领域颁发的奖项
（数据来源：INFUSE FY2024 研讨会演示文稿，2024 年 2 月。）

INFUSE已与28家床垫公司、10家DOE实验室和11所美国大学建立了合作伙伴关系。获得INFUSE奖项最多的七家床垫公司是：

  • 联邦融合系统 (21)

  • TAE 技术 (12)

  • 托卡马克能源 (8)

  • 通用原子公司 (4)

  • 通用融合 (4)

  • 磁惯性聚变技术 (4)

  • 普林斯顿聚变系统 (4)

激光聚焦的IFE-STAR

2013 年，美国国家科学、工程和医学院建议，一旦国家点火装置实现聚变点火，就建立广泛的惯性聚变能 (IFE) 计划。因此，在 2020 年《能源法案》和 2022 年《CHIPS 与科学法案》的支持下，FES 于 2023 年 5 月在庆祝 NIF 于 2022 年 12 月成功点火期间宣布了惯性聚变能科学技术加速研究 (IFE-STAR) 计划。到 2023 年 12 月，FES 准备宣布 IFE-STAR 三个中心的 27 家私营公司、大学和国家实验室。

IFE-STAR 的目标之一是开发所需的科学和技术，使惯性聚变从低增益、单次实验转向 IFE 试验工厂所需的高增益和高重复率。IFE-STAR 枢纽将在四年内获得总计 4200 万美元的资助。

共有 27 家私营公司、国家实验室和大学参与了 IFE-STAR 中心。只有一家私营核聚变开发商参与了这三个中心：总部位于科罗拉多州丹佛市的 Xcimer Energy。

STARFIRE中心（聚变创新和反应堆工程科学技术加速研究）将由劳伦斯利弗莫尔国家实验室牵头，以加速高增益目标设计、目标制造和接合以及二极管泵浦固体激光技术的演示，并通过 IFE 工厂建模框架指导这些技术的开发。

罗彻斯特大学激光能量学实验室领导IFE-COLoR（惯性聚变能 LPI（激光等离子体相互作用）研究联盟）研究，旨在测试一种可支持直接驱动 IFE 系统的新型宽带长脉冲激光器。

科罗拉多州立大学领导RISE中心，美国能源部的 SLAC 国家加速器实验室担任联合领导。RISE 将“将创新目标概念与准分子气体激光器和固态激光驱动器的新发展相结合，以开辟新颖的 IFE 机制。”

融合生态系统已做好扩张的准备

2024 年宣布的三个项目可能会让更多私营公司加入公私合作伙伴关系：公私联盟框架、FIRE 合作伙伴关系以及 ARPA-E 的新项目 CHADWICK。

公私合作联盟框架

6 月 6 日，白宫举行活动庆祝核聚变能源“大胆十年愿景”实施两周年，在此背景下，美国能源部发布了《2024 年核聚变能源战略》和以地区中心为主导的公私合作框架 (PPCF) 新计划。这些地区团队可能会交付和运营中小型研发试验台，以解决多家私营核聚变公司共同存在的科学技术差距。

6 月 7 日发布的信息征求书称，“此时推行 PPCF 的一个主要原因是，所需的资金以及研发和项目交付的速度在 [大胆的十年愿景] 时间范围内难以实现。” 有关 PPCF 计划及其潜在范围的评论可在 7 月 22 日前提交。

FIRE 合作项目：不是传统的科学项目

FES 最新的融资机会公告为聚变创新研究引擎 (FIRE) 合作组织提供四年 1.8 亿美元的资金——被描述为一项“旨在创建聚变创新生态系统的变革性举措”，其中虚拟的、集中管理的合作组织致力于最终用途启发的聚变科学和技术研发和“概念中立能力”。

根据 FOA 的说法，“从本质上讲，FIRE 代表着对传统科学项目的背离，它允许进行灵活调整，并且如果根据结果或优先事项的变化认为有必要，可以终止项目。”

预申请截止日期为 7 月 9 日，完整申请截止日期为 8 月 27 日。

CHADWICK: 第一壁材料

CHADWICK 是 ARPA-E 的一个项目，它遵循了 ALPHA、BETHE 和 GAMOW 的思路，其缩写也与之相同（利用集中知识创造坚固耐用的聚变第一壁），其目的是研制出可以在高能中子和热流的强烈照射下，在聚变电站 40 年的设计寿命内发挥作用的第一壁材料。

CHADWICK 项目包括三个技术类别：面向等离子体的组件材料、结构材料以及与最终用户的分析和沟通支持。申请截止日期为 5 月 21 日。

苏珊·加利尔（Susan Gallier）是《核新闻》的特约撰稿人，专注于核科学技术的研究和应用。

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