核聚變能源的革命性潛力

    核聚變能源被視為人類(lèi)能源問(wèn)題的終極解決方案，其原理是模仿太陽(yáng)內(nèi)部的能量產(chǎn)生過(guò)程，通過(guò)輕原子核結(jié)合成重原子核釋放巨大能量。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，燃料來(lái)源豐富（氘可從海水中提取，氚可通過(guò)鋰再生），且理論上單次反應(yīng)能量輸出是裂變的4倍。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(lèi)在可控核聚變領(lǐng)域取得歷史性突破。這項(xiàng)技術(shù)成熟后，單座聚變電站可滿足百萬(wàn)人口城市全年用電需求，同時(shí)完全避免碳排放問(wèn)題。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃進(jìn)展

    由35個(gè)國(guó)家合作的ITER項(xiàng)目正在法國(guó)南部建造世界上最大的托卡馬克裝置，其真空室直徑達(dá)19米，等離子體體積840立方米。該項(xiàng)目采用氘氚混合燃料，設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)Q=10（輸出能量達(dá)輸入能量的10倍），持續(xù)時(shí)間400600秒。2023年關(guān)鍵里程碑包括完成所有環(huán)向場(chǎng)線圈的安裝，這些由超導(dǎo)Nb3Sn材料制成的線圈可在269℃下產(chǎn)生11.8特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)。中國(guó)承擔(dān)了ITER約9%的采購(gòu)包，自主研發(fā)的增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁組件能承受每平方米4.7兆瓦的熱負(fù)荷，相當(dāng)于太陽(yáng)表面熱流的3倍。預(yù)計(jì)2025年ITER將進(jìn)行首次等離子體放電實(shí)驗(yàn)。

私營(yíng)企業(yè)的創(chuàng)新技術(shù)路線

    除傳統(tǒng)托卡馬克裝置外，多家私營(yíng)公司正探索替代技術(shù)路徑。美國(guó)TAE Technologies采用直線加速器約束等離子體，使用氫硼燃料實(shí)現(xiàn)更安全的反應(yīng)；英國(guó)Tokamak Energy研發(fā)高溫超導(dǎo)磁體的小型化球形托卡馬克，其ST40裝置已實(shí)現(xiàn)1億℃等離子體溫度；加拿大General Fusion的磁化靶聚變系統(tǒng)通過(guò)活塞壓縮液態(tài)金屬來(lái)引發(fā)聚變。微軟已與Helion Energy簽訂全球首份聚變電力采購(gòu)協(xié)議，計(jì)劃2028年實(shí)現(xiàn)50MW商業(yè)供電。這些創(chuàng)新方案將聚變電站的建造成本從ITER的220億歐元降低至2030億美元級(jí)別。

中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）規(guī)劃

    中國(guó)自主設(shè)計(jì)的CFETR將分三階段實(shí)施：第一階段（2035年前）建設(shè)200MW示范堆，實(shí)現(xiàn)Q=5的穩(wěn)定運(yùn)行；第二階段（2040年）提升至1GW發(fā)電功率；最終建成商業(yè)級(jí)聚變電站。EAST裝置（東方超環(huán)）已創(chuàng)造多項(xiàng)世界紀(jì)錄：2021年實(shí)現(xiàn)1.2億℃等離子體持續(xù)101秒，2023年實(shí)現(xiàn)403秒高約束模式運(yùn)行。中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研發(fā)的"中國(guó)環(huán)流器三號(hào)"首次實(shí)現(xiàn)電子溫度1億℃與離子溫度5千萬(wàn)℃的"雙高溫"等離子體。這些突破為CFETR積累了關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

聚變能商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

    材料科學(xué)是當(dāng)前主要瓶頸：聚變中子流會(huì)使結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生原子位移損傷，鎢銅復(fù)合偏濾器需要承受每平方米10MW的熱沖擊。日本NIFS開(kāi)發(fā)的納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼（ODS鋼）顯示出良好抗輻照性能。氚自持循環(huán)同樣關(guān)鍵，歐洲EUROfusion項(xiàng)目正在測(cè)試使用液態(tài)鉛鋰增殖層的中子倍增方案。經(jīng)濟(jì)性方面，根據(jù)MIT研究，當(dāng)聚變電站建設(shè)成本降至5,000美元/kW時(shí)，電價(jià)可與風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)（約$0.06/kWh）。預(yù)計(jì)20402050年將出現(xiàn)首批商業(yè)示范堆，2060年后進(jìn)入大規(guī)模部署階段。

聚變能源的全球合作生態(tài)

    國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）設(shè)立的聚變能協(xié)調(diào)委員會(huì)（FEC）推動(dòng)著全球知識(shí)共享，其聚變能數(shù)據(jù)庫(kù)收錄了全球76個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的2,300萬(wàn)組等離子體參數(shù)。美國(guó)能源部2023年啟動(dòng)"聚變發(fā)展伙伴計(jì)劃"，資助私營(yíng)企業(yè)開(kāi)展電廠概念設(shè)計(jì)。中國(guó)參與ITER的同時(shí)，正與俄羅斯聯(lián)合開(kāi)發(fā)快中子聚變裂變混合堆技術(shù)。英國(guó)原子能管理局開(kāi)設(shè)的聚變技術(shù)培訓(xùn)中心每年培養(yǎng)300名專(zhuān)業(yè)工程師。這種跨國(guó)協(xié)作模式加速了技術(shù)突破，也使聚變能專(zhuān)利數(shù)量從2010年的年均200件增長(zhǎng)至2023年的1,500件。