核聚變能源的科學(xué)原理與突破

    核聚變是指輕原子核（如氫的同位素氘和氚）在極端高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核（如氦）的過程，過程中釋放巨大能量。與當(dāng)前核電站采用的核裂變技術(shù)相比，聚變反應(yīng)不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢物，原料可從海水中提取近乎無限，每公斤燃料釋放能量相當(dāng)于燃燒1萬噸煤炭。2022年12月，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)"凈能量增益"（Q>1），標(biāo)志著人類在可控核聚變領(lǐng)域取得歷史性突破。該實(shí)驗(yàn)通過192束高能激光聚焦氫燃料靶丸，在1億攝氏度下維持聚變反應(yīng)100萬億分之1秒，輸出能量達(dá)到輸入激光能量的120%。

國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的里程碑意義

    由35國(guó)共同參與的ITER項(xiàng)目正在法國(guó)建造全球最大托卡馬克裝置，其環(huán)形真空室直徑達(dá)19米，計(jì)劃2025年首次等離子體放電。該裝置采用超導(dǎo)磁體約束1.5億℃高溫等離子體，設(shè)計(jì)目標(biāo)為輸出500兆瓦聚變功率（輸入50兆瓦），持續(xù)時(shí)間400秒。與激光慣性約束不同，磁約束技術(shù)通過強(qiáng)磁場(chǎng)使帶電粒子沿螺旋軌道運(yùn)動(dòng)，避免接觸反應(yīng)器壁。2023年7月，ITER成功完成杜瓦底座安裝，這個(gè)重達(dá)1250噸的不銹鋼結(jié)構(gòu)將支撐整個(gè)裝置系統(tǒng)。項(xiàng)目總干事Pietro Barabaschi表示："當(dāng)ITER實(shí)現(xiàn)持續(xù)燃燒等離子體時(shí)，將證明聚變能源的商業(yè)化可行性"。

中國(guó)"人造太陽"EAST的領(lǐng)先成果

    中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克裝置（EAST）在2021年實(shí)現(xiàn)1.2億℃等離子體運(yùn)行101秒，2023年又創(chuàng)下403秒穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖高約束模式運(yùn)行記錄。這些突破解決了超高溫等離子體控制、第一壁材料耐輻照等關(guān)鍵難題。我國(guó)自主設(shè)計(jì)的鎢銅偏濾器可承受每平方米千萬瓦級(jí)熱負(fù)荷，為ITER提供了重要技術(shù)驗(yàn)證。在四川成都，新一代"中國(guó)環(huán)流三號(hào)"裝置正開展更接近商用堆參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，其等離子體電流可達(dá)2.5兆安培，是EAST的2倍以上。

商業(yè)化進(jìn)程中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

    要實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電廠并網(wǎng)，仍需突破三重壁壘：首先是材料科學(xué)，需要開發(fā)能承受14MeV中子長(zhǎng)期轟擊的反應(yīng)堆內(nèi)壁材料，日本研發(fā)的碳化硅纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在輻照實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異性能；其次是燃料循環(huán)系統(tǒng)，如何高效提取氚并維持燃料自持（當(dāng)前氚增殖率僅能達(dá)到1.051.15）；最后是經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化，包括降低超導(dǎo)磁體制造成本（目前ITER磁體系統(tǒng)造價(jià)約50億歐元）和提高能量轉(zhuǎn)換效率（傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)方案效率僅40%）。英國(guó)Tokamak Energy公司開發(fā)的球形托卡馬克結(jié)合高溫超導(dǎo)磁體，有望將裝置體積縮小至傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的1/10。

全球資本涌入催生創(chuàng)業(yè)熱潮

    截至2023年，全球已有超過40家聚變創(chuàng)業(yè)公司獲得融資，總金額突破60億美元。美國(guó)Commonwealth Fusion Systems采用稀土鋇銅氧（REBCO）高溫超導(dǎo)帶材，計(jì)劃2025年建成SPARC示范堆；加拿大General Fusion的磁化靶聚變方案利用液態(tài)金屬渦流壓縮等離子體，獲得亞馬遜創(chuàng)始人貝索斯投資。我國(guó)新奧集團(tuán)投資的能量奇點(diǎn)公司，正在研發(fā)基于人工智能的等離子體控制系統(tǒng)，其洪荒70高溫超導(dǎo)托卡馬克預(yù)計(jì)2024年投入運(yùn)行。這些創(chuàng)新路徑或?qū)⒋蠓s短商業(yè)化時(shí)間表，高盛預(yù)測(cè)首座商用聚變電站可能在2035年前并網(wǎng)發(fā)電。

核聚變能源的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響展望

    若實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，聚變能源將重塑全球能源格局。單座2GW聚變電站年發(fā)電量可滿足300萬戶家庭需求，減少二氧化碳排放1000萬噸。不同于間歇性的風(fēng)光發(fā)電，聚變機(jī)組能提供穩(wěn)定的基荷電力，與智能電網(wǎng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)全天候清潔供電。在深遠(yuǎn)海開發(fā)、極地科考等特殊場(chǎng)景，緊湊型聚變裝置更可替代柴油發(fā)電機(jī)。國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2070年聚變發(fā)電可能占全球電力供應(yīng)的1520%，創(chuàng)造萬億級(jí)產(chǎn)業(yè)鏈。不過專家也提醒，在最終突破前仍需持續(xù)投入基礎(chǔ)研究，MIT等離子體中心主任Dennis Whyte指出："我們現(xiàn)在正處于從科學(xué)可行性向工程可行性跨越的關(guān)鍵階段"。