核聚變技術(shù)原理與全球進(jìn)展

  核聚變被稱(chēng)為"人造太陽(yáng)"技術(shù)，其原理是通過(guò)將輕原子核（如氘和氚）在極端高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核，過(guò)程中釋放巨大能量。與當(dāng)前核電站使用的核裂變技術(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，1升海水蘊(yùn)含的氘能量相當(dāng)于300升汽油。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目數(shù)據(jù)顯示，1克氘氚燃料完全聚變可釋放相當(dāng)于8噸石油的能量。目前全球主要采用托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)磁約束聚變，2022年中國(guó)EAST裝置實(shí)現(xiàn)403秒的1.2億攝氏度運(yùn)行，刷新世界紀(jì)錄。

關(guān)鍵技術(shù)突破與挑戰(zhàn)

  實(shí)現(xiàn)可控核聚變需要突破三大科學(xué)難題：首先是1億度以上高溫等離子體維持，這要求超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)度達(dá)10特斯拉的環(huán)形磁場(chǎng)。日本JT60SA裝置采用鈮錫超導(dǎo)線圈，冷卻至269℃時(shí)能承載10萬(wàn)安培電流。其次是第一壁材料問(wèn)題，面對(duì)比太陽(yáng)表面還高的粒子流沖擊，中科院合肥物質(zhì)研究院研發(fā)的鎢銅復(fù)合材料可承受每平方米5兆瓦的熱負(fù)荷。最關(guān)鍵的盈虧平衡點(diǎn)（Q值）要求輸出能量達(dá)到輸入能量的10倍以上，2022年英國(guó)JET裝置首次實(shí)現(xiàn)Q=0.67的突破，預(yù)計(jì)ITER將在2035年實(shí)現(xiàn)Q=10的目標(biāo)。

商業(yè)應(yīng)用時(shí)間表與產(chǎn)業(yè)鏈

  根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，第一座示范聚變電站有望在2040年前建成。美國(guó)私營(yíng)企業(yè)TAE Technologies采用直線加速器方案，已獲得谷歌等12億美元投資，計(jì)劃2025年建成小型驗(yàn)證堆。聚變產(chǎn)業(yè)鏈包含超導(dǎo)材料（如西部超導(dǎo)）、高精度加工（中國(guó)中車(chē)已研制聚變裝置專(zhuān)用機(jī)床）、診斷設(shè)備（華中科技大學(xué)研發(fā)的微波干涉儀精度達(dá)0.1毫米）等細(xì)分領(lǐng)域。值得注意的是，微軟已與Helion Energy簽訂2028年購(gòu)電協(xié)議，這將成為核聚變商業(yè)化的首個(gè)里程碑。

中國(guó)聚變發(fā)展路線圖

  中國(guó)核聚變研究采取"三步走"戰(zhàn)略：EAST裝置側(cè)重物理實(shí)驗(yàn)，CFETR（中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆）將于2035年建成實(shí)現(xiàn)發(fā)電演示，最終商業(yè)堆計(jì)劃在2050年投運(yùn)。四川省正在建設(shè)全球最大聚變研究設(shè)施——環(huán)流器三號(hào)，其真空室直徑達(dá)8米。在人才培養(yǎng)方面，清華大學(xué)工程物理系每年培養(yǎng)200名聚變專(zhuān)業(yè)研究生，中核集團(tuán)設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)基金支持青年科學(xué)家。2023年成立的粵港澳大灣區(qū)聚變聯(lián)盟，已吸引包括華為在內(nèi)的47家企業(yè)參與控制系統(tǒng)研發(fā)。

能源革命與社會(huì)影響

  核聚變商業(yè)化將徹底改變能源格局。據(jù)麥肯錫測(cè)算，當(dāng)聚變電價(jià)降至0.05美元/度時(shí)，全球能源市場(chǎng)將產(chǎn)生12萬(wàn)億美元價(jià)值重構(gòu)。環(huán)境方面，聚變電站替代燃煤電廠可使中國(guó)年減碳40億噸。在民生領(lǐng)域，廉價(jià)電力將推動(dòng)海水淡化成本下降70%，解決全球20億人淡水短缺問(wèn)題。更深遠(yuǎn)的影響在于重塑地緣政治格局，能源進(jìn)口國(guó)將實(shí)現(xiàn)自給自足，中東等產(chǎn)油區(qū)需提前布局產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。教育領(lǐng)域已出現(xiàn)變化， MIT等高校開(kāi)設(shè)聚變創(chuàng)業(yè)課程，培養(yǎng)技術(shù)商業(yè)化復(fù)合人才。