核聚變技術(shù)原理與科學(xué)突破

    核聚變是指輕原子核在高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核并釋放巨大能量的過(guò)程。與當(dāng)前核電站使用的核裂變技術(shù)不同，聚變反應(yīng)的燃料來(lái)源是氘（可從海水中提?。┖碗埃赏ㄟ^(guò)鋰再生），1升海水所含氘的聚變能量相當(dāng)于300升汽油。太陽(yáng)核心正是通過(guò)持續(xù)的氫核聚變產(chǎn)生能量，因此該技術(shù)也被稱(chēng)為"人造太陽(yáng)"。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)能量?jī)粼鲆妫≦值＞1）的慣性約束聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，用2.05兆焦耳激光輸入獲得了3.15兆焦耳能量輸出，標(biāo)志著人類(lèi)在可控核聚變領(lǐng)域取得歷史性突破。

國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）工程進(jìn)展

    作為全球最大核聚變合作項(xiàng)目，ITER計(jì)劃總投資達(dá)220億歐元，由中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)七方共同建造。其托卡馬克裝置重達(dá)2.3萬(wàn)噸，相當(dāng)于3個(gè)埃菲爾鐵塔的重量，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)可產(chǎn)生13特斯拉的磁場(chǎng)（是地球磁場(chǎng)的28萬(wàn)倍）。2023年7月，ITER完成最后一批真空室模塊吊裝，預(yù)計(jì)2025年進(jìn)行首次等離子體實(shí)驗(yàn)。中國(guó)承擔(dān)了ITER約9%的采購(gòu)包任務(wù)，包括研制核心部件"第一壁"材料，這種鎢銅復(fù)合材料需要承受每平方米4.7兆瓦的熱負(fù)荷，相當(dāng)于航天飛機(jī)返回大氣層時(shí)的表面溫度。

商業(yè)聚變發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)格局

    除國(guó)家主導(dǎo)項(xiàng)目外，私營(yíng)企業(yè)正采用創(chuàng)新技術(shù)路線加速商業(yè)化進(jìn)程。美國(guó)Commonwealth Fusion Systems采用高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)，將傳統(tǒng)托卡馬克體積縮小40倍；英國(guó)Tokamak Energy的球形托卡馬克設(shè)計(jì)使等離子體約束效率提升10倍。截至2023年，全球已有超過(guò)35家聚變創(chuàng)業(yè)公司獲得融資，總金額突破48億美元，其中微軟已與Helion Energy簽訂2028年購(gòu)電協(xié)議。中國(guó)新奧集團(tuán)建設(shè)的"玄龍50"裝置于2023年實(shí)現(xiàn)1億度等離子體運(yùn)行，民營(yíng)企業(yè)首次進(jìn)入億度俱樂(lè)部。

關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

    實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定聚變需要突破三重難關(guān)：首先是1.5億度高溫等離子體約束，目前德國(guó)Wendelstein 7X仿星器已實(shí)現(xiàn)30分鐘長(zhǎng)脈沖運(yùn)行；其次是材料抗輻照問(wèn)題，中國(guó)"東方超環(huán)"EAST裝置開(kāi)發(fā)的鎢偏濾器可承受2000次熱循環(huán)；最后是氚自持技術(shù)，加拿大STARFIRE項(xiàng)目證明通過(guò)鋰包層可生產(chǎn)反應(yīng)所需氚燃料。2023年MIT團(tuán)隊(duì)發(fā)明的超導(dǎo)帶材REBCO使磁體強(qiáng)度提升3倍，大幅降低能量損耗，這項(xiàng)突破可能將示范電站建設(shè)時(shí)間表提前58年。

能源革命與社會(huì)影響

    核聚變商業(yè)化將重塑全球能源格局。單座200萬(wàn)千瓦聚變電站年耗燃料僅100公斤，而同等規(guī)模燃煤電廠需300萬(wàn)噸煤炭。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，2050年聚變發(fā)電占比達(dá)10%時(shí)，全球年減排二氧化碳超50億噸。更深遠(yuǎn)的影響在于：海水淡化成本將下降70%，氫能生產(chǎn)成本降低90%，太空推進(jìn)系統(tǒng)比沖提升10倍。中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆CFETR計(jì)劃2035年并網(wǎng)，設(shè)計(jì)熱功率達(dá)1000兆瓦，將成為首個(gè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電的聚變裝置。

產(chǎn)業(yè)投資與人才培養(yǎng)

    全球聚變研發(fā)年投入已超60億美元，中國(guó)在"十四五"規(guī)劃中專(zhuān)項(xiàng)部署聚變裂變混合堆關(guān)鍵技術(shù)。清華大學(xué)工程物理系開(kāi)設(shè)首個(gè)聚變能本科專(zhuān)業(yè)，培養(yǎng)涵蓋等離子體物理、超導(dǎo)工程、材料科學(xué)的復(fù)合型人才。日本量子科學(xué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)建立"虛擬聚變研究所"，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。值得關(guān)注的是，3D打印技術(shù)正用于制造聚變裝置部件，美國(guó)ORNL實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的鈦合金偏濾器組件將傳統(tǒng)2年生產(chǎn)周期縮短至3個(gè)月。