核聚變能源的革命性潛力

    核聚變能源被譽(yù)為人類能源問(wèn)題的終極解決方案，其原理是模仿太陽(yáng)的能量產(chǎn)生方式，通過(guò)將輕元素（如氫的同位素氘和氚）在極端高溫高壓條件下結(jié)合成較重的元素（如氦），釋放出巨大能量。與目前廣泛應(yīng)用的核裂變不同，核聚變不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢物，且燃料來(lái)源近乎無(wú)限——氘可從海水中提取，氚可通過(guò)鋰再生。據(jù)估算，1升海水中的氘通過(guò)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油。這種能源形式若能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，將徹底改變?nèi)蚰茉锤窬?，解決氣候變化和能源安全等關(guān)鍵問(wèn)題。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的突破

    目前全球最大的核聚變合作項(xiàng)目ITER正在法國(guó)南部建設(shè)中，該項(xiàng)目由35個(gè)國(guó)家共同參與，總投資超過(guò)220億歐元。ITER采用托卡馬克裝置，通過(guò)超導(dǎo)磁體約束高溫等離子體以實(shí)現(xiàn)持續(xù)聚變反應(yīng)。2022年，ITER團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了等離子體持續(xù)時(shí)間突破400秒的重大里程碑，能量輸出達(dá)到輸入能量的10倍（Q值=10）。雖然距離商業(yè)應(yīng)用的Q值≥25仍有差距，但這一進(jìn)展驗(yàn)證了磁約束聚變的可行性。預(yù)計(jì)2025年ITER將進(jìn)行首次全功率測(cè)試，若成功將為DEMO（示范電站）的設(shè)計(jì)鋪平道路，目標(biāo)是在2040年代實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

私營(yíng)企業(yè)的創(chuàng)新競(jìng)賽

    除國(guó)家主導(dǎo)項(xiàng)目外，近年來(lái)涌現(xiàn)出數(shù)十家核聚變創(chuàng)業(yè)公司，采用與傳統(tǒng)托卡馬克不同的技術(shù)路線。美國(guó)TAE Technologies開發(fā)了反向場(chǎng)構(gòu)型裝置，已獲得谷歌等機(jī)構(gòu)12億美元投資，其最新設(shè)備Norman已實(shí)現(xiàn)1億度等離子體溫度。英國(guó)Tokamak Energy則專注于球形托卡馬克和高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)，2023年宣布實(shí)現(xiàn)1億度持續(xù)等離子體。最引人注目的是美國(guó)Commonwealth Fusion Systems（CFS），其創(chuàng)新的高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)可將托卡馬克體積縮小40倍，首臺(tái)原型機(jī)SPARC計(jì)劃2025年建成，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)Q值>2。這些創(chuàng)新大大加速了聚變能源商業(yè)化時(shí)間表，部分企業(yè)承諾2030年前實(shí)現(xiàn)示范電站并網(wǎng)。

中國(guó)核聚變研究的跨越式發(fā)展

    中國(guó)在核聚變領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)從跟跑到并跑的轉(zhuǎn)變。EAST（全超導(dǎo)托卡馬克）裝置多次刷新世界紀(jì)錄：2021年實(shí)現(xiàn)1.2億度等離子體持續(xù)101秒，2023年又達(dá)成7000萬(wàn)度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行1056秒。CFETR（中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆）計(jì)劃2030年建成，設(shè)計(jì)聚變功率達(dá)1GW，將成為ITER與DEMO之間的關(guān)鍵橋梁。在材料方面，中國(guó)研發(fā)的鎢偏濾器材料已應(yīng)用于ITER，抗輻射碳化硅復(fù)合材料也取得突破。特別值得注意的是，2022年清華大學(xué)SUNIST團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)球形托卡馬克的長(zhǎng)時(shí)間高約束模式運(yùn)行，為緊湊型聚變堆開發(fā)提供了新思路。

關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

    盡管前景廣闊，核聚變?nèi)悦媾R四大核心挑戰(zhàn)：第一是等離子體控制，需要開發(fā)更精確的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和人工智能預(yù)測(cè)算法；第二是材料問(wèn)題，聚變中子會(huì)使結(jié)構(gòu)材料脆化，目前最有希望的鎢合金和納米氧化物彌散強(qiáng)化鋼仍在測(cè)試中；第三是氚自持，需要設(shè)計(jì)高效的氚增殖包層，液態(tài)鋰鉛方案顯示出良好前景；第四是經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)高溫超導(dǎo)磁體、緊湊化設(shè)計(jì)和模塊化建造可大幅降低成本。美國(guó)普林斯頓PPPL實(shí)驗(yàn)室最新開發(fā)的"粘性夸克"模型能更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等離子體行為，而3D打印技術(shù)正用于快速制造復(fù)雜部件。

能源轉(zhuǎn)型與全球影響

    國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，若核聚變能在2040年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，到2060年可滿足全球15%的電力需求，減少碳排放約60億噸/年。這將重塑地緣政治格局，能源進(jìn)口國(guó)將獲得獨(dú)立，而傳統(tǒng)產(chǎn)油國(guó)面臨轉(zhuǎn)型壓力。聚變能源還將推動(dòng)氫經(jīng)濟(jì)發(fā)展，通過(guò)高溫電解水高效制氫。對(duì)于發(fā)展中國(guó)家，模塊化小型聚變堆（如英國(guó)STEP計(jì)劃）可解決電力短缺問(wèn)題。據(jù)摩根士丹利分析，到2050年全球聚變產(chǎn)業(yè)規(guī)?？赡芡黄?萬(wàn)億美元，創(chuàng)造數(shù)百萬(wàn)高技能崗位。目前全球聚變研發(fā)年投入已超60億美元，私營(yíng)資本占比從2012年的5%增至2023年的45%，顯示市場(chǎng)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的強(qiáng)烈信心。