核聚變技術(shù)原理與突破性進(jìn)展

    核聚變作為模擬太陽能量產(chǎn)生機(jī)制的技術(shù)，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)生長壽命放射性廢物，原料可從海水中提取，理論上1升海水蘊(yùn)含的氘能量相當(dāng)于300升汽油。2022年12月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)凈能量增益突破，用2.05兆焦耳激光輸入觸發(fā)反應(yīng)，輸出3.15兆焦耳能量，標(biāo)志著人類首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)"能量盈余"。

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）工程進(jìn)展

    這個(gè)由35個(gè)國家合作建造的巨型托卡馬克裝置位于法國南部，其環(huán)形真空室直徑達(dá)19米，重量相當(dāng)于3個(gè)埃菲爾鐵塔。項(xiàng)目采用超導(dǎo)磁體技術(shù)，可產(chǎn)生相當(dāng)于地球磁場(chǎng)10萬倍的磁場(chǎng)來約束1.5億攝氏度的等離子體。2023年7月，ITER完成最后一批超導(dǎo)線圈安裝，預(yù)計(jì)2025年進(jìn)行首次等離子體放電實(shí)驗(yàn)。整個(gè)裝置包含超過1000萬個(gè)組件，僅診斷系統(tǒng)就有44種不同類型的測(cè)量設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等離子體行為。中國承擔(dān)了ITER約9%的采購包任務(wù)，包括開發(fā)關(guān)鍵的第一壁材料——鎢銅偏濾器組件。

商業(yè)化應(yīng)用面臨的五大挑戰(zhàn)

    第一壁材料需要承受每平方米數(shù)百萬瓦的熱負(fù)荷，相當(dāng)于航天器重返大氣層時(shí)表面溫度的10倍。日本研發(fā)的碳化硅復(fù)合材料在2023年實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)出良好抗輻照性能。等離子體控制方面，德國Wendelstein 7X仿星器通過復(fù)雜扭曲的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，已實(shí)現(xiàn)30分鐘穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。能量轉(zhuǎn)換效率提升方面，英國First Light Fusion公司開發(fā)的炮彈觸發(fā)技術(shù)，可將能量轉(zhuǎn)換效率提高到理論值的60%。成本控制上，加拿大General Fusion公司開發(fā)的磁化靶聚變系統(tǒng)，建設(shè)成本僅為托卡馬克裝置的1/10。

中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）規(guī)劃

    這個(gè)計(jì)劃于2035年建成的全超導(dǎo)托卡馬克，設(shè)計(jì)聚變功率達(dá)1000兆瓦，是ITER的2倍。其三大創(chuàng)新包括：采用液態(tài)鋰鉛包層實(shí)現(xiàn)氚自持，開發(fā)高溫超導(dǎo)磁體將磁場(chǎng)強(qiáng)度提升至12特斯拉，以及獨(dú)創(chuàng)的"雪花"偏濾器構(gòu)型降低熱負(fù)荷。2023年5月，EAST裝置實(shí)現(xiàn)403秒的長時(shí)間高約束模式運(yùn)行，創(chuàng)下世界紀(jì)錄。中核集團(tuán)預(yù)計(jì)，中國示范聚變電站（DEMO）將在2040年前后并網(wǎng)發(fā)電，初期電價(jià)可控制在0.5元/千瓦時(shí)以下。

私營企業(yè)創(chuàng)新路線圖

    美國TAE Technologies公司采用緊湊型場(chǎng)反轉(zhuǎn)配置，2023年其Norman裝置達(dá)到7500萬攝氏度等離子體溫度。英國Tokamak Energy的球形托卡馬克利用高溫超導(dǎo)磁體，將裝置體積縮小80%。微軟已與Helion Energy簽訂購電協(xié)議，計(jì)劃2028年使用聚變電力供數(shù)據(jù)中心。投資領(lǐng)域，2022年全球聚變初創(chuàng)企業(yè)融資達(dá)28億美元，其中Commonwealth Fusion Systems單輪融資18億美元，創(chuàng)行業(yè)紀(jì)錄。這些企業(yè)普遍采用模塊化設(shè)計(jì)，目標(biāo)是在2030年代實(shí)現(xiàn)200兆瓦級(jí)商業(yè)電站。

能源革命與社會(huì)影響

    聚變能源商業(yè)化將重塑全球能源格局，1公斤聚變?nèi)剂舷喈?dāng)于1萬噸煤的能量產(chǎn)出。據(jù)國際能源署預(yù)測(cè)，2050年聚變發(fā)電可滿足全球15%電力需求，每年減少120億噸二氧化碳排放。在太空探索領(lǐng)域，聚變推進(jìn)系統(tǒng)可將火星航行時(shí)間縮短至3個(gè)月。日本計(jì)劃在2050年前建成浮動(dòng)式聚變電站，解決島國能源安全問題。教育方面，全球已有47所大學(xué)開設(shè)聚變工程專業(yè)，中國科技大學(xué)"中子物理與聚變能"專業(yè)2023年首批畢業(yè)生就業(yè)率達(dá)100%。