2025年5月，由美国威斯康星大学麦迪逊分校（UW-Madison）孵化的Realta Fusion宣布其正在建造其第一个原型示范装置——Anvil磁镜聚变装置。这项技术通过两端强磁场约束等离子体，具有成本低、扩展性强等优势。据悉，Anvil预计于2026年投入运行。而在去年7月，Realta Fusion和威斯康星大学的研究人员首次成功在磁镜（WHAM）中使用高温超导磁体，形成了高达17T磁场强度的等离子体，实现了一系列聚变能量的首次突破。
一、高校概述
威斯康星大学麦迪逊分校（UW-Madison）是美国顶尖的公立研究型大学之一，成立于1848年，以工程、物理、生命科学和农业领域的研究实力闻名全球。作为美国“公立常春藤”，UW-Madison的科研经费常年位居全美前十，拥有近30位诺贝尔奖得主校友，学术影响力深远。其聚变技术中心（FTI） 和工程物理系是国际核聚变研究的核心力量。
二、研究领域
1. 等离子体物理与约束技术
- 磁约束实验：主导Pegasus-III球形托卡马克装置，研究低磁场、高比压等离子体的稳定约束，探索紧凑型聚变反应堆的可行性。
- 先进运行模式：开发非感应电流驱动、高自举电流占比等高效运行方案，降低聚变堆能耗。
- 等离子体不稳定性控制：抑制磁流体动力学（MHD）不稳定性（如撕裂模、边缘局域模ELM），提升等离子体持续时间与性能。
2. 聚变材料与壁处理
- 等离子体与壁相互作用 (Plasma-Wall Interactions)：研究聚变环境中高能中子、粒子流对第一壁材料的损伤机制（如氦泡形成、材料脆化）；开发抗辐照材料（如纳米结构氧化物弥散强化钢、钨基复合材料）。
- 液态金属壁技术：探索液态锂/锡合金作为第一壁材料的可行性，实现杂质的自清除和氚增殖的集成设计。
- 偏滤器工程：优化偏滤器（排出反应杂质的关键部件）的热负荷管理，延长寿命。
3. 氚燃料循环与安全
- 氚增殖与提取：设计液态锂铅包层，验证氚燃料的自持能力。
- 氚滞留控制：研发低滞留壁材料与除氚技术，防止放射性同位素在装置内积累。
- 安全分析与包容：评估聚变事故场景（如冷却剂泄漏），设计多重安全屏障系统。
4. 聚变系统集成与工程验证
- 紧凑型聚变堆设计：基于Pegasus-III等实验成果，推动经济型小型聚变堆的工程蓝图。
- 诊断与控制系统：开发高精度等离子体诊断工具（如微波干涉仪、X射线光谱仪）和实时反馈控制算法。
- 热工水力与能量转换：研究聚变堆高热负荷下的冷却方案（如超临界CO₂循环），提升能量转化效率。
5. 跨尺度模拟与人工智能应用
- 多物理场耦合模拟：结合磁流体动力学（MHD）、粒子输运与材料损伤模型，预测聚变堆全生命周期性能。
- 机器学习优化：利用AI加速等离子体控制参数寻优、异常事件预警及材料性能预测。
三、历史沿革
- 1963年，曼哈顿计划科学家Donal Kerst加盟UW-Madison，创立等离子体与聚变研究项目。
- 1960年代后期，获美国能源部（DOE）资助，启动跨学科聚变研究（物理、工程物理、电气工程）。
- 1971年，核工程教授Jerry Kulcinski创立聚变技术研究所（FTI），专注聚变工程与反应堆设计。
- 1990年代，启动Pegasus托卡马克项目，研究等离子体启动与控制技术。
- 2020年，联合MIT和CFS启动WHAM磁镜装置，目标实现商业化聚变能源。
四、实验装置
Pegasus-III：球形托卡马克装置，旨在探索准球形高压等离子体的约束特性，同时通过技术创新减少设备体积并优化性能。设计参数为：大半径0.2-0.45m，环径比1.1-2，最大等离子体电流0.45MA，环向磁场不超过0.2T。
Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror（WHAM）：2020年由UW-Madison、MIT和Commonwealth Fusion Systems合作启动建设的装置，2024年成功产生首次等离子体。WHAM是一个高磁场聚变实验平台，旨在开发聚变反应堆关键技术，并验证等离子体约束方案的可行性。
Madison Symmetric Torus（MST）：在设计之初，MST就预置了托卡马克和反场箍缩两种运行模式，使得同一装置内能直接比较两种环形等离子体构型（这一点上类似于意大利RFX-Mod）。2018年，UW-Madison获得资金建造了可编程电源系统，使其能更便捷地实现从托卡马克到反场箍缩的多种环形等离子体构型切换。2024年7月，MST在托卡马克实验中，成功地产生密度高达格林沃尔德极限（Greenwald Limit）十倍的稳定等离子体。设计参数为：大半径1.5m，小半径0.52m，最大等离子电流0.65MA。
Helically Symmetric Experiment（HSX）：是一台模块化线圈仿星器装置，自1999年开始运行。其磁场由一组48个扭曲线圈产生，这些线圈排列在四个磁场周期中。核心参数为：大半径1.2m、小半径0.15m、磁场1.25T、最大等离子体电流13.4kA、加热功率100KW、等离子体体积为0.44立方米。
五、衍生企业
1.Realta Fusion：2022年从UW-Madison衍生成立，致力于开发一种紧凑、成本效益高、经过验证的磁镜聚变反应堆技术。公司计划在2030年之前设计和制造盈亏平衡轴对称磁镜装置，之后在2030年代中期快速建造一个基于串列磁镜技术的聚变试验工厂。2025年5月，Realta Fusion完成3600万美元A轮融资。
2.SHINE Technologies：成立于2005年，总部位于威斯康星州简斯维尔，目前是一家医用放射性同位素（如镥-177）生产商，致力于通过完善核聚变技术以解决当前医疗、制造、能源及其他领域的问题。今年1月，英国原子能管理局（UKAEA）宣布计划从SHINE Technologies订购LIBRTI计划中的关键设备——一个中子源，这个中子源将用在英国牛津郡卡勒姆校区建造的首个测试平台设施内。
3.Type One Energy：2019年成立，总部位于美国田纳西州诺克斯维尔，在麦迪逊、波士顿和加拿大温哥华设有办事处。公司致力于为全球提供可持续、经济型聚变能源，目标是在未来十年内将商业聚变纳入电网。2024年2月启动 “Project Infinity” 项目，计划建造全球首台电厂级仿星器原型机Infinity One，以验证仿星器在电厂级规模下的运行效率与经济性。2025年5月底，Type One Energy宣布已成功通过“Infinity Two” 项目的首次正式设计审查。
参考资料：
- https://gaptekzone.com/realta-fusion-energy-startup-advances-anvil-reactor-design-36m-funding/
- https://www.wisc.edu/about/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Uw-madison
- https://engineering.wisc.edu/news/new-pegasus-iii-fusion-experiment-off-to-a-flying-start/
- https://wham.physics.wisc.edu/
- https://sprott.physics.wisc.edu/mst.htm
- https://hsx.wisc.edu/