核聚變技術(shù)原理與突破

    核聚變作為太陽(yáng)的能量來(lái)源，其原理是將輕原子核（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。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"，即輸出能量（3.15兆焦）超過(guò)輸入激光能量（2.05兆焦），這一里程碑證明受控核聚變的科學(xué)可行性。

國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆(ITER)進(jìn)展

    位于法國(guó)南部的ITER項(xiàng)目是當(dāng)今規(guī)模最大的國(guó)際合作科研工程，35個(gè)國(guó)家共同投資220億歐元。其托卡馬克裝置重達(dá)2.3萬(wàn)噸，相當(dāng)于3個(gè)埃菲爾鐵塔的鋼鐵用量。2023年7月，ITER完成最后一塊超導(dǎo)線圈安裝，標(biāo)志著磁約束系統(tǒng)主體竣工。該裝置計(jì)劃2025年首次等離子體實(shí)驗(yàn)，2035年實(shí)現(xiàn)氘氚聚變反應(yīng)，目標(biāo)產(chǎn)生500兆瓦聚變功率（輸入功率僅50兆瓦）。中國(guó)承擔(dān)了ITER約9%的采購(gòu)包，包括最核心的增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁部件，其鎢銅復(fù)合材料可承受每平方米4.7兆瓦的熱流，相當(dāng)于太陽(yáng)表面熱負(fù)荷的4倍。

商業(yè)聚變競(jìng)賽新格局

    私營(yíng)企業(yè)正采用創(chuàng)新路徑加速聚變商業(yè)化。英國(guó)托卡馬克能源公司研發(fā)的球形托卡馬克體積僅為傳統(tǒng)裝置的1/10，使用高溫超導(dǎo)磁體將磁場(chǎng)強(qiáng)度提升至3特斯拉。美國(guó)CFS公司計(jì)劃2025年建成ARC示范電站，采用新型稀土鋇銅氧(REBCO)超導(dǎo)帶材，使磁體系統(tǒng)體積縮小40倍。微軟已向Helion能源預(yù)購(gòu)50兆瓦聚變電力，該企業(yè)獨(dú)創(chuàng)的磁慣性約束技術(shù)通過(guò)壓縮等離子體實(shí)現(xiàn)脈沖式聚變，目標(biāo)2028年并網(wǎng)發(fā)電。截至2023年，全球聚變初創(chuàng)企業(yè)融資總額突破48億美元，其中2022年單年融資28億美元，顯示資本市場(chǎng)的強(qiáng)烈信心。

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

    我國(guó)自主設(shè)計(jì)的CFETR將分三階段實(shí)施：第一階段（20212035年）建設(shè)200兆瓦實(shí)驗(yàn)堆，等離子體持續(xù)時(shí)間達(dá)400秒；第二階段（20352050年）升級(jí)至1吉瓦示范電站，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行；最終建成商業(yè)聚變堆。合肥"東方超環(huán)"(EAST)已創(chuàng)造1.2億攝氏度101秒、7000萬(wàn)攝氏度1056秒的世界紀(jì)錄。2023年5月，中國(guó)環(huán)流三號(hào)首次實(shí)現(xiàn)高約束模式運(yùn)行，等離子體儲(chǔ)能提升50%，為CFETR設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。成都核工業(yè)西南物理研究院研發(fā)的氚增殖包層模塊，能在反應(yīng)中產(chǎn)生維持所需的氚燃料，解決聚變?nèi)剂献猿蛛y題。

聚變能源的社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響

    據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，全球首個(gè)商業(yè)聚變電站有望在2040年前投運(yùn)。到2060年，聚變發(fā)電量可能占全球電力供應(yīng)的10%，每年減少80億噸二氧化碳排放。聚變將重塑地緣政治格局，能源進(jìn)口國(guó)如日本、韓國(guó)正大力投資研究，傳統(tǒng)產(chǎn)油國(guó)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)型計(jì)劃。沙特NEOM新城已與TAE技術(shù)公司合作建設(shè)氫硼聚變?cè)囼?yàn)設(shè)施。在教育領(lǐng)域，全球35所高校開(kāi)設(shè)聚變工程專業(yè)，MIT與英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司聯(lián)合培養(yǎng)的跨學(xué)科人才，需同時(shí)掌握等離子體物理、超導(dǎo)材料與人工智能控制技術(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新

    材料科學(xué)是聚變商業(yè)化的核心瓶頸。歐洲聚變材料研究所開(kāi)發(fā)的Eurofer97鋼，經(jīng)納米氧化物彌散強(qiáng)化后，能抵抗14MeV中子輻照損傷。日本NIFS研發(fā)的液態(tài)鋰壁可自我修復(fù)輻照缺陷，同時(shí)作為氚增殖層。人工智能正加速聚變研究，DeepMind與瑞士等離子體中心合作開(kāi)發(fā)的AI控制器，能在0.1毫秒內(nèi)調(diào)整192個(gè)電磁線圈參數(shù)，將等離子體穩(wěn)定性提高65%。量子計(jì)算也被用于模擬湍流等離子體行為，谷歌量子處理器已成功建模微型托卡馬克中的粒子碰撞過(guò)程。