核聚變?cè)砼c科學(xué)突破

    核聚變被稱(chēng)為"人造太陽(yáng)"技術(shù)，其原理是模仿恒星內(nèi)部氫原子核結(jié)合釋放能量的過(guò)程。當(dāng)氘和氚等輕原子核在極端高溫高壓環(huán)境下克服庫(kù)侖斥力發(fā)生聚合時(shí)，會(huì)生成氦原子核并釋放巨大能量。與當(dāng)前核電站采用的核裂變技術(shù)相比，聚變反應(yīng)不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢料，且1克燃料產(chǎn)生的能量相當(dāng)于8噸石油。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"突破，用2.05兆焦耳激光輸入獲得了3.15兆焦耳能量輸出，標(biāo)志著可控核聚變從理論邁向工程實(shí)踐的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折。

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

    這個(gè)由35個(gè)國(guó)家共同參與的巨型科學(xué)工程，正在法國(guó)南部建造世界上最大的托卡馬克裝置。其環(huán)形真空室直徑達(dá)19米，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)總重達(dá)1萬(wàn)噸，能夠產(chǎn)生相當(dāng)于地球磁場(chǎng)10萬(wàn)倍的磁場(chǎng)來(lái)約束1.5億攝氏度的等離子體。2023年ITER完成首個(gè)超導(dǎo)線圈測(cè)試，預(yù)計(jì)2025年進(jìn)行首次等離子體實(shí)驗(yàn)。項(xiàng)目建成后將驗(yàn)證500兆瓦聚變功率持續(xù)輸出的可行性，為商業(yè)示范堆(DEMO)奠定基礎(chǔ)。中國(guó)承擔(dān)了ITER約9%的采購(gòu)包，在加熱系統(tǒng)、偏濾器等關(guān)鍵部件研發(fā)中作出重要貢獻(xiàn)。

技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新解決方案

    維持穩(wěn)定等離子體約束仍是最大難題。托卡馬克裝置中，高溫等離子體容易因磁流體不穩(wěn)定性導(dǎo)致能量逃逸。中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的EAST裝置在2021年實(shí)現(xiàn)了1.2億攝氏度101秒的長(zhǎng)脈沖運(yùn)行，創(chuàng)下世界紀(jì)錄。私營(yíng)企業(yè)如Commonwealth Fusion Systems采用高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)，將傳統(tǒng)托卡馬克體積縮小40倍。英國(guó)First Light Fusion則開(kāi)發(fā)獨(dú)特的"炮彈沖擊"慣性約束方案，用超高速?gòu)椡枳矒舭胁囊l(fā)聚變。這些創(chuàng)新路徑大大降低了裝置復(fù)雜度和建造成本。

材料科學(xué)的革命性需求

    面對(duì)中子輻照損傷和極端熱負(fù)荷，傳統(tǒng)材料在聚變環(huán)境下會(huì)迅速劣化。鎢銅復(fù)合偏濾器材料需承受每平方米20兆瓦的熱流，相當(dāng)于航天器再入大氣層時(shí)的10倍。日本國(guó)立聚變科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的納米結(jié)構(gòu)氧化物彌散強(qiáng)化鋼，抗輻照腫脹性能提升5倍。3D打印技術(shù)正在制造具有內(nèi)部冷卻通道的一體化第一壁組件。麻省理工學(xué)院研發(fā)的液態(tài)鋰壁技術(shù)不僅能吸收中子，還可自修復(fù)表面損傷，為未來(lái)連續(xù)運(yùn)行的聚變堆提供關(guān)鍵材料保障。

能源轉(zhuǎn)型與商業(yè)應(yīng)用前景

    根據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2050年核聚變可提供全球10%的基荷電力。英國(guó)STEP計(jì)劃瞄準(zhǔn)2040年建成并網(wǎng)發(fā)電的示范電站，采用緊湊型球形托卡馬克設(shè)計(jì)。美國(guó)Helion Energy計(jì)劃2028年部署50兆瓦聚變發(fā)電機(jī)組，其獨(dú)特的磁慣性約束技術(shù)可將能量直接轉(zhuǎn)換為電能，跳過(guò)傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)環(huán)節(jié)。在航運(yùn)領(lǐng)域，韓國(guó)造船海洋正在開(kāi)發(fā)聚變動(dòng)力集裝箱船，單次加注燃料可環(huán)球航行40次。這些商業(yè)化嘗試正在改寫(xiě)"聚變永遠(yuǎn)還需要30年"的行業(yè)魔咒。

投資熱潮與產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)遇

    2022年全球私營(yíng)聚變企業(yè)融資達(dá)28億美元，是前五年的總和。微軟已向Helion預(yù)購(gòu)2028年起提供的50兆瓦清潔電力。我國(guó)新成立的星環(huán)聚能、能量奇點(diǎn)等初創(chuàng)公司獲得超10億元融資，聚焦高場(chǎng)強(qiáng)緊湊型裝置研發(fā)。聚變產(chǎn)業(yè)鏈催生超導(dǎo)材料、大功率激光器、等離子體診斷設(shè)備等新興市場(chǎng)，僅低溫超導(dǎo)帶材需求預(yù)計(jì)在2030年達(dá)千億規(guī)模。日本三菱重工已開(kāi)始建設(shè)聚變專(zhuān)用部件生產(chǎn)線，為ITER及后續(xù)商業(yè)項(xiàng)目供應(yīng)核心設(shè)備。

社會(huì)影響與可持續(xù)發(fā)展

    核聚變商業(yè)化將重塑全球能源地緣政治格局。1公斤海水提取的氘相當(dāng)于300公斤汽油的能量當(dāng)量，使所有國(guó)家都能獲得能源自主權(quán)。聚變裂變混合堆技術(shù)可處理核廢料，將鈾238轉(zhuǎn)化為可用燃料，延長(zhǎng)現(xiàn)有核電站壽命。在氣候變化應(yīng)對(duì)方面，聚變電站全生命周期碳排放僅為光伏的1/10，且不依賴(lài)天氣條件。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)正在制定全球聚變安全標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)參與的"聚變示范堆放射性評(píng)估"項(xiàng)目，為未來(lái)核監(jiān)管體系提供重要科學(xué)依據(jù)。