核聚變能源的革命性突破

  核聚變作為模仿太陽(yáng)能量產(chǎn)生機(jī)制的技術(shù)，正在從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化應(yīng)用。與核裂變不同，聚變反應(yīng)通過(guò)輕原子核結(jié)合產(chǎn)生能量，過(guò)程中不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢物，燃料來(lái)源（氘和氚）幾乎取之不盡。2023年，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆?，?biāo)志著人類在1.5億攝氏度高溫下成功控制等離子體并輸出3.15兆焦耳能量，這一突破性進(jìn)展使全球核聚變研發(fā)投入激增300%。目前全球在建的示范堆超過(guò)30個(gè)，中國(guó)環(huán)流三號(hào)裝置已實(shí)現(xiàn)403秒的穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)脈沖運(yùn)行，為未來(lái)商業(yè)電站奠定基礎(chǔ)。

托卡馬克與仿星器的技術(shù)競(jìng)速

  當(dāng)前主流裝置中，托卡馬克采用環(huán)形磁場(chǎng)約束等離子體，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）正是該技術(shù)的集大成者，其直徑達(dá)28米的真空室可容納840立方米的超高溫等離子體。而德國(guó)溫德?tīng)柺┨┮?X仿星器則通過(guò)扭曲的磁場(chǎng)線圈實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的約束，雖然建造復(fù)雜度更高，但能避免托卡馬克的等離子體中斷問(wèn)題。新興的磁慣性約束技術(shù)如美國(guó)通用聚變公司的活塞壓縮方案，將燃料壓縮至超高密度狀態(tài)，大幅降低了對(duì)持續(xù)約束的要求。這些技術(shù)路線各具優(yōu)勢(shì)，最終可能在不同應(yīng)用場(chǎng)景形成互補(bǔ)。

材料科學(xué)的極限挑戰(zhàn)

  面對(duì)等離子體轟擊和14MeV中子輻照，第一壁材料需要承受每平方米4兆瓦的熱負(fù)荷，相當(dāng)于航天器再入大氣層時(shí)熱盾的20倍。中國(guó)自主研發(fā)的鎢銅復(fù)合材料已實(shí)現(xiàn)抗輻照損傷性能提升5倍，而日本開(kāi)發(fā)的碳化硅纖維增強(qiáng)材料能有效降低氚滯留。超導(dǎo)磁體方面，高溫超導(dǎo)帶材（REBCO）的使用使得磁場(chǎng)強(qiáng)度突破20特斯拉，MIT的SPARC項(xiàng)目因此將裝置體積縮小40%。這些創(chuàng)新使聚變裝置的經(jīng)濟(jì)性顯著提升，預(yù)計(jì)首座商業(yè)電站建造成本可控制在50億美元以內(nèi)。

能源格局的重構(gòu)前景

  根據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，若2050年前實(shí)現(xiàn)聚變電網(wǎng)并網(wǎng)，全球年減排量可達(dá)80億噸CO?，相當(dāng)于當(dāng)前中國(guó)全年排放量的80%。模塊化小型堆（如英國(guó)Tokamak Energy的ST40）更適合分布式能源系統(tǒng)，而傳統(tǒng)大型堆則能替代現(xiàn)有燃煤電站。值得注意的是，聚變裂變混合堆可嬗變核廢料，將鈾資源利用率從1%提升至95%。隨著私人資本涌入（2023年全球聚變初創(chuàng)融資達(dá)48億美元），該領(lǐng)域正形成包含燃料供應(yīng)、裝置運(yùn)維、電力銷售的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

中國(guó)聚變發(fā)展的戰(zhàn)略布局

  中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）計(jì)劃分三期建設(shè)，最終建成200萬(wàn)千瓦級(jí)示范電站。合肥"人造太陽(yáng)"EAST裝置保持多項(xiàng)世界紀(jì)錄，包括1.2億攝氏度101秒運(yùn)行。在四川，新一代HL3裝置采用全超導(dǎo)設(shè)計(jì)，其等離子體電流可達(dá)3兆安培。政策層面，《能源技術(shù)創(chuàng)新"十四五"規(guī)劃》明確將聚變列為戰(zhàn)略前沿技術(shù)，成都、武漢等地已形成涵蓋超導(dǎo)材料、真空部件、診斷系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)集群。預(yù)計(jì)到2035年，中國(guó)有望建成首個(gè)實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電的聚變實(shí)驗(yàn)堆。