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記者從臨港新片區(qū)了解到，近期，上海核聚變能源商業(yè)公司能量奇點(diǎn)自主研發(fā)的全球首臺全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置“洪荒70”，成功實(shí)現(xiàn)1337秒穩(wěn)態(tài)長脈沖等離子體運(yùn)行，成為全球唯一實(shí)現(xiàn)千秒級長脈沖運(yùn)行的商業(yè)核聚變企業(yè)，遠(yuǎn)超此前商業(yè)公司百秒級的運(yùn)行上限。這一突破不僅實(shí)證了全高溫超導(dǎo)技術(shù)路線在聚變裝置上的工程可行性與穩(wěn)定性，為核聚變商業(yè)化落地按下“加速鍵”，更意味著，上海提前布局的未來能源產(chǎn)業(yè)，距離確定性更近一步。

實(shí)證全高溫超導(dǎo)路線可行性

核聚變是模仿太陽發(fā)光發(fā)熱原理，讓氫的同位素在超高溫下聚合釋放巨大能量的能源方式。因其燃料氘、氚等可從海水中無限提取，聚變產(chǎn)物又不帶放射性，被寄予“帶領(lǐng)人類進(jìn)入能源自由”的期待。

走進(jìn)能量奇點(diǎn)的廠房，工作人員正對著托卡馬克裝置更新調(diào)試。在這套裝置內(nèi)，燃料將被加熱變成一團(tuán)帶電的高溫等離子體，在高溫與磁場約束下發(fā)生核聚變，釋放巨大能量。

要經(jīng)得住如此惡劣的工況，意味著對裝置材料的極高要求。超導(dǎo)材料，是指在極低溫下電阻變零且具備完全抗磁性的材料。記者了解到，全球已建成超過百臺托卡馬克裝置，但目前正運(yùn)行的全超導(dǎo)裝置僅四臺，其中三臺使用的是上一代低溫超導(dǎo)材料。能量奇點(diǎn)自主研制的“洪荒70”，是其中唯一一臺使用全高溫超導(dǎo)材質(zhì)建造的托卡馬克。

對低溫超導(dǎo)托卡馬克，全球已有20年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，工藝相對成熟，但裝置體型巨大。與之相比，高溫超導(dǎo)材料具有高臨界溫度、高臨界磁場、高載流能力等優(yōu)勢，可將聚變堆的體積縮小到傳統(tǒng)聚變堆的幾十分之一，使聚變能源的商用進(jìn)程大幅提速。

“洪荒70”的內(nèi)部布滿高溫超導(dǎo)材料制成的線圈，通電后將形成強(qiáng)大、穩(wěn)定的磁場，像一個無形的“磁籠”，把聚變?nèi)剂侠卫渭s束在真空腔體中央，避免超高溫物質(zhì)接觸裝置內(nèi)壁。

在此之前，行業(yè)內(nèi)對高溫超導(dǎo)材料的質(zhì)疑始終存在。此次“洪荒70”實(shí)現(xiàn)千秒級的長脈沖運(yùn)行，不僅證明高溫超導(dǎo)材料可成功應(yīng)用于聚變裝置的工程建設(shè)，更驗(yàn)證了該材料在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性。事實(shí)上，即便放眼全球范圍內(nèi)核聚變領(lǐng)域的商業(yè)公司，實(shí)現(xiàn)過100秒以上的長脈沖運(yùn)行也是鳳毛麟角。

筑牢自主創(chuàng)新底座

在能量奇點(diǎn)創(chuàng)始人、CEO楊釗看來，這次突破不僅是對能量奇點(diǎn)全系統(tǒng)能力的綜合檢驗(yàn)，更意味著團(tuán)隊(duì)對等離子體物理的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行、控制算法的可靠性，以及裝置整體和所有子系統(tǒng)的工程穩(wěn)定性，均通過了千秒級的嚴(yán)苛考驗(yàn)。

這背后是團(tuán)隊(duì)超過兩年全流程攻堅與針對性系統(tǒng)升級的成果。據(jù)楊釗介紹，“洪荒70”項(xiàng)目于2022年3月正式啟動；2024年3月在臨港新片區(qū)完成托卡馬克裝置的建設(shè)；同年6月，“洪荒70”實(shí)現(xiàn)首次等離子體放電，雖僅運(yùn)行不到1秒，但驗(yàn)證了裝置所有子系統(tǒng)的基礎(chǔ)可行性。

為實(shí)現(xiàn)長脈沖運(yùn)行，團(tuán)隊(duì)隨即啟動二期升級改造，完成了三大關(guān)鍵系統(tǒng)的優(yōu)化升級：一是提升耐熱輻射的第一壁部件，解決真空環(huán)境下的熱負(fù)荷承受問題，為長時間運(yùn)行筑牢硬件基礎(chǔ)；二是新增電流驅(qū)動系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)，通過注入功率維持等離子體電流，為長脈沖運(yùn)行提供持續(xù)動力；三是完善診斷系統(tǒng)并升級控制算法，讓裝置能更精準(zhǔn)“感知”等離子體狀態(tài)，盡可能保障運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。

在此基礎(chǔ)上，去年3月，團(tuán)隊(duì)還成功研制全球最高場強(qiáng)大尺寸高溫超導(dǎo)D形磁體“經(jīng)天磁體”。不斷升級完善的過程中，“洪荒70”的脈沖時長也逐步從1秒提升至100秒、300秒。直到今年二月，突破1337秒穩(wěn)態(tài)長脈沖等離子體運(yùn)行。

值得一提的是，“洪荒70”的國產(chǎn)化率接近96%，實(shí)現(xiàn)完全自主知識產(chǎn)權(quán)，從裝置整體設(shè)計，到磁體、控制算法等核心環(huán)節(jié)，均由能量奇點(diǎn)團(tuán)隊(duì)自主完成。而在關(guān)鍵材料方面，核電領(lǐng)域的上海乃至臨港優(yōu)勢，也為能量奇點(diǎn)的“自主化”路徑提供助力。

據(jù)介紹，“洪荒70”的真空室、冷屏等主機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，由同樣位于臨港新片區(qū)的上海電氣核電集團(tuán)提供；核心磁體系統(tǒng)的高性能超導(dǎo)磁體材料則來自上海超導(dǎo)科技股份有限公司。這種高自研率不僅突破了國外技術(shù)卡脖子風(fēng)險，更為后續(xù)降低商業(yè)化成本奠定了基礎(chǔ)。

臨港新片區(qū)管委會高科處工作人員杭勇告訴記者，核聚變是臨港重點(diǎn)發(fā)展的未來產(chǎn)業(yè)方向之一，除了能量奇點(diǎn)，去年臨港還落地了布局場反位形（FRC）磁壓縮技術(shù)的諾瓦聚變，眼下臨港還在對接多家國際核聚變企業(yè)，計劃引入更多差異化技術(shù)路線，形成多路線并行研發(fā)、良性競爭的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。當(dāng)前，臨港正重點(diǎn)引入高溫超導(dǎo)材料、第一壁材料、電源系統(tǒng)等核聚變核心環(huán)節(jié)的上下游企業(yè)，完善從核心材料、關(guān)鍵零部件到裝置集成的全產(chǎn)業(yè)鏈布局?！皩εR港而言，商業(yè)核聚變的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)落地，不僅是搶占未來能源賽道制高點(diǎn)的核心抓手，還是帶動高溫超導(dǎo)、精密制造、AI控制、極端環(huán)境材料等高端產(chǎn)業(yè)鏈升級的核心抓手。”

沖刺“能量凈增益”

“洪荒70”的千秒級突破，并未攻克商業(yè)核聚變的所有難點(diǎn)。據(jù)楊釗介紹，除了材料控制，等離子體的精準(zhǔn)控制、全工程系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行、熱管理、能量凈增益、耐輻照材料等問題，仍是核聚變商業(yè)化路上的重要關(guān)卡。

楊釗表示，能量奇點(diǎn)目前正針對“洪荒70”進(jìn)行算法更新、診斷設(shè)備升級與內(nèi)部件優(yōu)化，爭取在下半年實(shí)現(xiàn)比1337秒更優(yōu)的結(jié)果。此外，團(tuán)隊(duì)還將啟動下一代裝置“洪荒170”的設(shè)計工作，計劃2028年建成。這臺裝置的等離子體半徑將達(dá)170厘米，其體積規(guī)模將會大于“洪荒70”的兩倍，核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)Q值大于2的高能量增益，成為國內(nèi)率先沖擊這一商業(yè)化關(guān)鍵里程碑的裝置。

Q值是衡量核聚變裝置能量增益的核心指標(biāo)，即裝置輸出能量與輸入能量的比值，Q值等于1意味著輸出與輸入能量持平，但Q大于10才有商業(yè)價值。

“從行業(yè)整體來看，核聚變的商業(yè)化落地仍需經(jīng)歷科學(xué)可行性、工程可行性、商業(yè)可行性三輪驗(yàn)證，目前托卡馬克路線已完成科學(xué)可行性驗(yàn)證，接下來的核心任務(wù)，就是實(shí)現(xiàn)工程化的能量凈增益，再向商業(yè)可行性邁進(jìn)?！睏钺撜f。