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核融合世界盃開打了,而當今賭盤最旺的當屬Commonwealth Fusion Systems (CFS),網站首頁毫不含蓄地標榜「全球最大的核融合公司 (The world's largest and leading commercial fusion energy company)」。 這家新冠疫情前才冒出的新創公司是哪來的底氣,到底實力如何?
Commonwealth Fusion Systems:麻省理工準備用高溫超導實現的核融合革命 在美國麻薩諸塞州的偏郊,一棟外表不起眼的工業建築,走進去,卻像踏入科幻電影的場景:巨型環形超導線圈、電漿診斷儀器、液氮管線交錯,螢幕上閃動著磁場拓撲圖,但這不是 NASA,也不是 CERN,而是全球最受矚目的核融合新創之一的Commonwealth Fusion Systems。 CFS 的目標非常直接,就是在 2030 年代中期推出世界第一座商轉核融合電廠,並提供 400 MW級的綠色基載電力。
CFS由麻省理工(MIT)的Plasma Science and Fusion Center(PSFC)團隊於 2018 年創立,短短六年募資近 40 億美元。 CFS 的願景是完成真正商轉的核融合電廠。 目前正在建造SPARC 的實驗反應爐,預計在 2026~2027 年啟動,目標不是發電,而是展示核融合的科學淨能量突破QDT>1(設計能達到 Q = 10),企圖完成人類史上第一座真正達成「可商業化核融合條件」的裝置。
SPARC只是科學示範機,400 MW商轉的ARC才是CFS的最終目標,使用液態金屬壁(FLiBe)能吸收中子產生熱能、增殖氚以提供燃料、並保護反應爐壁,預計2030年前完成工程設計,並於2035年前建成商轉,是目前全球最清晰、工程最可行的核融合商轉路線之一。 讓我們來整理他的四大優勢: CFS 的四大優勢 優勢一:高溫超導磁場(HTS) 最傳統、最成熟核融合裝置當是鑽研了七十年的Tokamak,但Tokamak最要命的是磁場不夠強,裝置越做越大越貴,CFS的絕招就是:親愛的,我把它變小了,而且更便宜。
CFS在成熟的Tokamak路線上突破,使用REBCO(Rare-Earth Barium Copper Oxide)高溫超導,傳統Tokamak磁場約5 T,而CFS可以達到20 T,核融合裝置自然更小、更便宜。 優勢二:成本低、體積小、可量產 ARC的小體積、低成本,意味著可以在城市附近建廠、量產、模組化,及快速部署,是商業化的關鍵。 優勢三:強大的投資者作為後盾 CFS的投資者包括了比爾蓋茲的Breakthrough Energy Ventures、Google、Khosla Ventures、新加坡淡馬錫Temasek、義大利能源巨頭Eni等,資金充足意味著可以快速進展工程、提前建立供應鏈、承受風險、吸引人才。
優勢四:MIT 的科學與工程支援 源自科技豪門MIT的CFS擁有世界級電漿物理團隊、世界級超導工程團隊、及世界級控制系統團隊,其他新創公司難以向背。 CFS 的四大挑戰 當然,一間公司不會只有優勢沒有劣勢,核融合的工程挑戰是很巨大的,他也會面對相同的問題: 挑戰一:超導系統商業化 2021 年,CFS成功展示世界第一個 20 T高溫超導磁場,震撼整個核融合界,是最具競爭力的技術,但接下來的工程挑戰也在超導線材的製造成本、線圈的冷卻系統、機械應力、長期運作的可靠性。
挑戰二:讓電漿穩定 Tokamak最大的問題是電漿崩裂,也就是電漿突然失穩,熱量與電流瞬間衝擊反應爐壁,造成反應爐體損壞,所以CFS使用AI控制磁場、快速反應線圈、及液態金屬壁吸收衝擊。 MIT在電漿控制方面是世界頂尖,自是CFS的強項,但證明ARC能長期穩定運作,是工程與物理的雙重挑戰。 挑戰三:氚燃料供應 氚是核融合的燃料,但自然界幾乎沒有,ARC使用FLiBe製氚,但高效率、高可靠性、及高安全性的要求,是核融合商轉的必要條件。
挑戰四:把核融合能量變成電力 核融合會產生高能中子、高溫液態金屬及高熱通量,所以ARC用液態金屬吸熱、用熱交換器把熱轉成蒸汽、用蒸汽推動渦輪機發電,這是成熟的傳統核電技術,但核融合的熱通量極高,熱交換器必須耐高溫、耐腐蝕、耐中子轟擊,需要新材料與新設計。 AI對於世界最大的貢獻是加速核融合發展 數位分身對愛好電玩的新新人類一點也不陌生,只是這裡是科技人的務實版本,一切都得遵循真實物理世界的規則,沒有科幻的超能力與穿越。 對CFS來說,數位化不是指單純的CAD,而是要能在數位世界中運轉的核融合反應爐,數位分身驗證後,再建實體真機。
可把原本要耗費經年累月的實體實驗壓縮成幾週幾天的虛擬優化,達成超高速的版本迭代,若說傳統工程設計CAD是手繪的四格漫畫,那數位孿生就是AI生成的電影。
核心概念整理如下表: 面向 內容 關鍵工具與技術 數位設計 SPARC/ARC的3D結構、磁場、管線、及系統裝配的工程模型 Siemens NX、Teamcenter 數位孿生 SPARC的高仿真虛擬世界,含幾何模型及物理模式 NVIDIA Omniverse、OpenUSD 物理模擬 預測與優化整個核融合電廠生命週期含電漿、磁場、熱、結構、冷卻等 傳統數值模擬+AI加速模型 專案與生命週期管理 設計版本、裝配、製造、維護 Siemens Xcelerator/ Teamcenter PLM 控制與實驗設計 pulse 設計、磁場電流、實驗設計 數位分身預演排練與優化 (表一)核融合運用AI核心概念 資料來源:王曉中 目前所有拚核融合商轉的公司,都已開始著手建立數位孿生系統,但CFS是最完整、最到位的一家,也是唯一做到全系統級的核融合數位分身。
透過與科技巨頭的合作,CFS將傳統需要經年累月數十年的實體實驗與優化流程,壓縮至數週的模擬計算中,將工程、AI與物理模型完美結合: 西門子的數據整合:CFS採用Siemens Xcelerator平台,利用 Designcenter NX 進行高精度產品工程設計,並透過Teamcenter 進行產品生命週期管理。 這構成了反應爐複雜物理組件的底層數位目錄。 輝達的模擬技術:透過NVIDIA Omniverse軟體庫與OpenUSD開放標準,系統將機械設計與傳統物理及 AI 驅動的物理模型相結合。 電漿控制 AI 副駕駛:同時,CFS與Google DeepMind合作,利用AI模擬和控制不穩定的核融合電漿。
如果說DeepMind是控制電漿的副駕駛,而Siemens與NVIDIA的數位孿生就是架完整的虛擬飛機。 這是一套透過實體運轉數據不斷修正虛擬模型,再回饋發展實體機器的閉環系統,旨將核融合從一個長達數十年的科研項目,快速轉化為可現實的商品。 有經驗的人應該可以體會軟體開發過程的冗長艱辛,但就這幾年生成式AI的暴輾下,如同古老手工藝跳進了工業革命2.0/3.0。 數位孿生+AI的核融合,融合了實體工程與數位虛擬,快速迭代已由線性成長轉進指數爆發。 CFS的路線不是最狂野、不是最便宜、也不是最簡單,但卻是最接近商業化的核融合技術之一。
美國核管會(NRC)2026年4月公布核融合發電是依10CFR30,而非過往核分裂的10CFR50/52,也就是說核電申請審查動輒五年起跳的攔路虎,對核融合已是過眼雲煙了。 下一篇,我們來分析第一家取得執照的核融合公司。 (註)美國核能管制法規體系主要由聯邦法律、行政法規、管制指引、以及工業標準四個層級組成。 以下為美國核能管制法規的位階與架構: 位階層級 主要法規 / 文件名稱 制定與發布單位 法定效力與說明 Statutes 第一級:聯邦法律 1954年Atomic Energy Act、1974年Energy Reorganization Act、2024年ADVANCE Act等 國會通過並總統簽署 是最高位階法源。
確立國家核能政策,授權並創立核管會進行安全監管 Regulations 第二級:行政法規 聯邦法規第十篇(Title 10 of the Code of Federal Regulations, 10 CFR)的第一章 核管會 具法律強制力。 屬於聯邦行政法,違反者將面臨核管會民事處份或法律制裁 Guidance/SRP 第三級:管制指引與審查方案 管制指引(Regulatory Guides)、標準審查方案(Standard Review Plan)、及技術報告(NUREG系列) 核管會幕僚與技術部門 無法律強制力,但為實務標準,可關係到執照許可審查是否通過等。
指導申請者「如何做」才能滿足第二級法規的要求,若不採用則須提出等效的安全證明 Codes & Standards 第四級:工業標準與規範 機械工程師學會(ASME)規範、電機電子工程師學會(IEEE)標準、美國核能學會(ANS)標準等 專業工程與工業學會 技術實作層面。 提供具體的工程與設計細節。 當這些標準被第三級指引引用、或寫入第二級法規時,即具備實質管制效力 整個核能管制法規體系的上面,就是美國的憲法。
第一級最重要的幾個聯邦法律,如1954年原子能法是所有核能相關的基本法;1974年的能源改組法,把核能管制獨立分出,成立核管會,核能推廣再加上其他能源,成立能源部;2024年Accelerating Deployment of Versatile, Advanced Nuclear for Clean Energy Act是振興核能的政策法,也是美國的核能工業翻身的法源根本。 核管會所有的行政法規屬第二級,都必須在第一級法案的授權範圍內進行,不得逾越,位階違反牴觸者無效。 第三級管制指引的定位是提供核管會可接受的方法,業者可以選擇更先進的技術或方法,只要能向核管會證明該方法同樣能達到 10 CFR 法規規定的安全目標即可。
第四級是專業標準規範,通常也是第二、三級所認可並採納的基礎。 雖說只有前兩級才是真正法律,但這四層級的核能管制法規體系環環相扣,也等同有了實質法律管制的效用 作者介紹|王曉中 台大土木系畢業,美西北大學環工輻射博士。 縱橫產官學研四十餘年,往來中美兩地,歷任原能會客座專家、國科會芝加哥科學組組長、環發會執行祕書等,並在美國核電廠、數家國家實驗室、玉嘉山、小型核能SMR電廠等工作,有二十多年核能安全分析經驗,並在台大土木系等多所學校授課。 業餘耕耘文字,當過數種科技刊物總編,拿下國科會首屆科普文學獎,現擔任綠學院綠色帶路人。 本文經授權轉載自綠學院(原標題:核能復興十五部曲:揭密全球最大的核融合公司)