核聚變技術(shù)的科學(xué)原理與突破

    核聚變是指輕原子核（如氘和氚）在極端高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核并釋放巨大能量的過(guò)程。這一現(xiàn)象與太陽(yáng)的能量產(chǎn)生機(jī)制相同，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)具有燃料儲(chǔ)量豐富（海水中氘含量可供人類使用數(shù)百萬(wàn)年）、不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢料、固有安全性高等顯著優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)可控核聚變需要滿足三個(gè)關(guān)鍵條件：溫度超過(guò)1億攝氏度使燃料成為等離子體、足夠高的粒子密度以增加碰撞概率、以及足夠長(zhǎng)的能量約束時(shí)間（即勞森判據(jù)）。目前全球主要通過(guò)磁約束（如托卡馬克裝置）和慣性約束（如激光點(diǎn)火）兩條技術(shù)路線攻關(guān)。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)的里程碑意義

    由35個(gè)國(guó)家共同參與的ITER項(xiàng)目是人類歷史上規(guī)模最大的國(guó)際科研合作工程之一。其位于法國(guó)的托卡馬克裝置重達(dá)2.3萬(wàn)噸，計(jì)劃產(chǎn)生500兆瓦的聚變功率（輸入功率50兆瓦），首次實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆妗?022年ITER成功完成第一階段組裝，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)可產(chǎn)生13特斯拉的磁場(chǎng)強(qiáng)度——相當(dāng)于地球磁場(chǎng)的28萬(wàn)倍。該項(xiàng)目驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)包括：鎢偏濾器處理極端熱負(fù)荷、氚增殖包層設(shè)計(jì)、以及新型超導(dǎo)材料應(yīng)用。中國(guó)承擔(dān)了ITER約9%的采購(gòu)包任務(wù)，在磁體支撐、校正場(chǎng)線圈等核心部件研發(fā)中作出突出貢獻(xiàn)。預(yù)計(jì)2025年ITER將進(jìn)行首次等離子體放電，2035年實(shí)現(xiàn)全功率運(yùn)行，為2050年前建設(shè)商業(yè)示范堆奠定基礎(chǔ)。

中國(guó)核聚變研究的跨越式發(fā)展

    中國(guó)的EAST（全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置）在2021年創(chuàng)造了1.2億攝氏度101秒、1.6億攝氏度20秒的等離子體運(yùn)行世界紀(jì)錄。2023年，新一代"中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)"完成工程設(shè)計(jì)，其體積是ITER的1.5倍，計(jì)劃分三個(gè)階段實(shí)施：2035年建成燃燒等離子體裝置、2040年實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、2050年完成示范堆建設(shè)。在四川成都，我國(guó)還建成了全球首個(gè)聚變裂變混合實(shí)驗(yàn)堆"嬗變裝置"，可同時(shí)解決能源供給和核廢料處理難題。民營(yíng)企業(yè)方面，能量奇點(diǎn)公司2024年建成國(guó)內(nèi)首臺(tái)緊湊型強(qiáng)場(chǎng)托卡馬克，采用高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)將裝置尺寸縮小80%，大幅降低建造成本。

關(guān)鍵技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景

    超導(dǎo)材料領(lǐng)域，稀土釔鋇銅氧（YBCO）帶材的臨界電流密度突破每平方厘米500安培（77K溫度下），使聚變裝置磁體系統(tǒng)體積縮小40%。在等離子體控制方面，人工智能算法已能實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)并抑制撕裂模不穩(wěn)定性，將等離子體約束時(shí)間提升30%。軍用轉(zhuǎn)民用技術(shù)中，激光慣性約束技術(shù)衍生出的新型激光器可應(yīng)用于腫瘤精準(zhǔn)治療。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2060年全球聚變發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá)1000吉瓦，年減排二氧化碳150億噸。英國(guó)托卡馬克能源公司已開(kāi)發(fā)集裝箱式聚變供能模塊，單個(gè)裝置可滿足10萬(wàn)人的城市供暖需求。

挑戰(zhàn)與未來(lái)發(fā)展方向

    材料科學(xué)仍是最大瓶頸：面對(duì)14兆電子伏特中子輻照，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料每年會(huì)產(chǎn)生20個(gè)原子位移損傷（dpa），需要開(kāi)發(fā)新型納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼。氚自持循環(huán)要求鋰增殖包層實(shí)現(xiàn)TBR（氚增殖比）>1.1，目前實(shí)驗(yàn)值僅達(dá)0.8。美國(guó)麻省理工學(xué)院SPARC項(xiàng)目采用高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)，有望在2025年實(shí)現(xiàn)Q值（能量增益因子）>2的里程碑。日本歐盟合作的JT60SA裝置正測(cè)試氫硼（pB11）聚變方案，雖然反應(yīng)溫度需達(dá)30億攝氏度，但能徹底避免中子輻射問(wèn)題。私營(yíng)企業(yè)如Helion Energy通過(guò)場(chǎng)反轉(zhuǎn)配置(FRC)將聚變?nèi)剂现苯愚D(zhuǎn)化為電能，跳過(guò)傳統(tǒng)熱循環(huán)環(huán)節(jié)，效率提升至60%。