核聚變能源的科學(xué)原理

    核聚變是指輕原子核在高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核并釋放巨大能量的過(guò)程。與目前廣泛應(yīng)用的核裂變技術(shù)不同，聚變反應(yīng)使用氫同位素（氘和氚）作為燃料，其原料幾乎取之不盡——每升海水中含有0.03克氘，理論上可提取的氘資源可供人類使用數(shù)百萬(wàn)年。聚變反應(yīng)需要在1億攝氏度以上的高溫環(huán)境下進(jìn)行，此時(shí)燃料會(huì)形成等離子體狀態(tài)。目前主流的技術(shù)路線包括磁約束（托卡馬克裝置）和慣性約束（激光點(diǎn)火）兩種方式。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目采用超導(dǎo)磁體構(gòu)成的托卡馬克裝置，其環(huán)形真空室可約束高溫等離子體持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

全球核聚變技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

    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)凈能量增益的慣性約束聚變突破，用192束激光轟擊燃料靶丸產(chǎn)生了3.15兆焦耳的能量輸出，達(dá)到輸入激光能量的150%。中國(guó)EAST裝置在2021年實(shí)現(xiàn)了1.2億攝氏度等離子體運(yùn)行101秒的世界紀(jì)錄。英國(guó)STEP計(jì)劃計(jì)劃在2040年前建成商業(yè)示范電站。私營(yíng)領(lǐng)域也取得顯著進(jìn)展，如美國(guó)TAE Technologies公司開(kāi)發(fā)的場(chǎng)反轉(zhuǎn)配置裝置已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定等離子體約束，加拿大General Fusion公司獨(dú)創(chuàng)的磁化靶聚變技術(shù)預(yù)計(jì)2025年建成示范裝置。這些突破標(biāo)志著人類距離實(shí)現(xiàn)"人造太陽(yáng)"的夢(mèng)想越來(lái)越近。

核聚變的商業(yè)應(yīng)用前景

    核聚變商業(yè)化將徹底改變?nèi)蚰茉锤窬?。一?000兆瓦的聚變電站年發(fā)電量可達(dá)80億度，相當(dāng)于減少500萬(wàn)噸二氧化碳排放。聚變能源具有負(fù)載跟隨特性，可完美配合風(fēng)電、光伏等間歇性能源。初期應(yīng)用將聚焦電網(wǎng)基荷供電，遠(yuǎn)期可發(fā)展海水淡化、氫能生產(chǎn)、工業(yè)供熱等綜合應(yīng)用。高能中子輻照特性使其在醫(yī)用同位素生產(chǎn)、材料改性等領(lǐng)域具有獨(dú)特價(jià)值。摩根士丹利預(yù)測(cè)，全球聚變能源市場(chǎng)規(guī)模將在2050年達(dá)到3000億美元，投資回報(bào)率可能超過(guò)傳統(tǒng)能源項(xiàng)目。

技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

    當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)包括：第一壁材料需要承受14MeV高能中子輻照，目前鎢銅復(fù)合材料是最有希望的候選材料；氚自持循環(huán)要求實(shí)現(xiàn)大于1.05的增殖比，液態(tài)鋰鉛包層設(shè)計(jì)可解決這一難題；等離子體不穩(wěn)定性控制需要開(kāi)發(fā)更精確的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，人工智能算法已開(kāi)始應(yīng)用于EAST裝置的控制優(yōu)化。超導(dǎo)磁體技術(shù)方面，高溫超導(dǎo)帶材的應(yīng)用可將磁場(chǎng)強(qiáng)度提升至20特斯拉以上，顯著縮小裝置體積。這些技術(shù)突破將共同推動(dòng)聚變能源走向?qū)嵱没?/p>

能源轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略地位

    在碳中和背景下，核聚變被視為能源轉(zhuǎn)型的"終極解決方案"。國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2070年聚變能源可能占全球電力供應(yīng)的1015%。與傳統(tǒng)核裂變相比，聚變電站不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢物，事故風(fēng)險(xiǎn)極低。與可再生能源相比，其能量密度高、占地面積小。中國(guó)已將聚變研發(fā)納入"十四五"國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，計(jì)劃在2050年前實(shí)現(xiàn)示范堆并網(wǎng)發(fā)電。歐盟"地平線歐洲"計(jì)劃承諾未來(lái)10年投入220億歐元支持聚變研究。這種全球性的技術(shù)競(jìng)賽正在加速聚變能源的商業(yè)化進(jìn)程。