核聚變能源的科學(xué)原理

  核聚變是指輕原子核（如氫的同位素氘和氚）在極端高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核（如氦），同時(shí)釋放巨大能量的物理過(guò)程。這一過(guò)程與太陽(yáng)的能量產(chǎn)生機(jī)制完全相同，因此被稱為"人造太陽(yáng)"技術(shù)。與當(dāng)前核電站使用的核裂變技術(shù)相比，聚變反應(yīng)具有三大核心優(yōu)勢(shì)：燃料儲(chǔ)量近乎無(wú)限（海水中含有大量氘）、不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢物、以及絕對(duì)不可能發(fā)生類似切爾諾貝利的熔毀事故。實(shí)現(xiàn)可控核聚變需要將燃料加熱到1億攝氏度以上的等離子體狀態(tài)，并通過(guò)強(qiáng)大磁場(chǎng)或慣性約束維持足夠長(zhǎng)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆妗?/p>

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃

  ITER是迄今最大規(guī)模的國(guó)際合作科研項(xiàng)目之一，由中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同參與建造。這個(gè)位于法國(guó)南部的托卡馬克裝置重達(dá)2.3萬(wàn)噸，計(jì)劃在2025年首次產(chǎn)生等離子體。ITER的核心目標(biāo)是證明聚變能可以持續(xù)產(chǎn)生500兆瓦的輸出功率（輸入功率僅50兆瓦），實(shí)現(xiàn)能量增益系數(shù)Q≥10。項(xiàng)目采用超導(dǎo)磁體技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)大環(huán)形磁場(chǎng)約束等離子體，其真空室直徑達(dá)19米，可容納840立方米的超高溫等離子體。中國(guó)不僅承擔(dān)了約9%的建造任務(wù)，更通過(guò)參與ITER掌握了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為自主建設(shè)聚變工程試驗(yàn)堆(CFETR)奠定基礎(chǔ)。

中國(guó)在核聚變領(lǐng)域的突破

  2021年，中國(guó)的"人造太陽(yáng)"EAST裝置實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度等離子體運(yùn)行101秒的世界紀(jì)錄。2022年又創(chuàng)下7000萬(wàn)攝氏度穩(wěn)定運(yùn)行1056秒的新里程碑。這些突破為未來(lái)聚變堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行提供了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。我國(guó)正在安徽合肥建設(shè)聚變工程試驗(yàn)堆CFETR，計(jì)劃分兩階段實(shí)施：2035年前建成可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的聚變示范堆，2050年前實(shí)現(xiàn)商用發(fā)電。特別值得注意的是，中國(guó)科學(xué)家在液態(tài)鋰鉛包層技術(shù)、高溫超導(dǎo)磁體等關(guān)鍵子系統(tǒng)研發(fā)方面已取得國(guó)際領(lǐng)先成果，這些創(chuàng)新可能大幅降低未來(lái)聚變電站的建設(shè)成本。

核聚變商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)

  盡管前景廣闊，核聚變能源商業(yè)化仍面臨四大技術(shù)瓶頸：首先是材料科學(xué)挑戰(zhàn)，需要開(kāi)發(fā)能承受中子輻照和極端熱負(fù)荷的第一壁材料；其次是能量轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題，目前只有約30%的熱能可轉(zhuǎn)化為電能；第三是氚燃料自持循環(huán)難題，天然氚極其稀少而人工生產(chǎn)困難；最后是經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，首座示范電站造價(jià)預(yù)計(jì)超過(guò)200億美元。私營(yíng)企業(yè)如Commonwealth Fusion Systems采用高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)，試圖建造更緊湊、低成本的托卡馬克裝置，而TAE Technologies則另辟蹊徑研究氫硼聚變方案以規(guī)避中子輻照問(wèn)題。

核聚變將如何改變能源格局

  一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，核聚變將徹底重塑全球能源體系：?jiǎn)蝹€(gè)標(biāo)準(zhǔn)聚變電站(1000MW)每年僅需約150公斤燃料（氘和氚），相比燃煤電廠可減少700萬(wàn)噸二氧化碳排放。分布式小型聚變堆可為偏遠(yuǎn)地區(qū)或海上平臺(tái)提供穩(wěn)定電力。更深遠(yuǎn)的影響在于，近乎無(wú)限的清潔能源將推動(dòng)海水淡化、氫能經(jīng)濟(jì)、碳捕捉等技術(shù)的發(fā)展，甚至改變地緣政治格局。摩根士丹利預(yù)測(cè)，到2040年全球聚變能源市場(chǎng)規(guī)模可能達(dá)到3000億美元，而波士頓咨詢集團(tuán)則認(rèn)為到2070年聚變發(fā)電可能占全球電力供應(yīng)的1520%。

下一代聚變技術(shù)路線圖

  除傳統(tǒng)托卡馬克路線外，全球正在探索多種創(chuàng)新方案：仿星器通過(guò)復(fù)雜扭曲的磁場(chǎng)線圈實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的等離子體約束；慣性約束聚變利用高能激光或粒子束瞬間壓縮燃料靶丸；磁慣性聚變結(jié)合了磁約束和慣性約束的優(yōu)點(diǎn)；而Z箍縮技術(shù)通過(guò)大電流產(chǎn)生強(qiáng)大電磁場(chǎng)壓縮等離子體。特別值得關(guān)注的是，高溫超導(dǎo)材料的突破使得緊湊型聚變裝置成為可能，MIT開(kāi)發(fā)的SPARC裝置直徑僅3米卻有望實(shí)現(xiàn)Q>2。量子計(jì)算也被應(yīng)用于等離子體湍流模擬，有望加速聚變研究進(jìn)程。

核聚變產(chǎn)業(yè)鏈投資機(jī)會(huì)

  隨著技術(shù)成熟度提高，核聚變領(lǐng)域正吸引巨額投資：2022年全球私營(yíng)聚變企業(yè)融資超過(guò)28億美元，包括Helion Energy的5億美元E輪融資。投資熱點(diǎn)集中在超導(dǎo)磁體、等離子體加熱、耐輻照材料等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。二級(jí)市場(chǎng)上，相關(guān)概念股如超導(dǎo)技術(shù)供應(yīng)商、特種材料制造商等已開(kāi)始受到關(guān)注。對(duì)于普通投資者，可通過(guò)參與清潔能源ETF、關(guān)注聚變初創(chuàng)企業(yè)PreIPO輪次等方式布局。各國(guó)政府也加大政策支持，美國(guó)通過(guò)《聚變能源法案》簡(jiǎn)化監(jiān)管框架，中國(guó)則將聚變技術(shù)列入"十四五"能源科技創(chuàng)新重點(diǎn)專項(xiàng)。