作為實現(xiàn)無限、清潔、安全能源應(yīng)用的關(guān)鍵，核聚變被譽(yù)為“人類終極能源”。核聚變復(fù)制了太陽誕生過程，與將重原子核分裂成較輕的原子核并釋放能量的裂變不同，其具有能量密度更高、燃料儲量近乎無限、不產(chǎn)生長壽命高放射性廢物、本質(zhì)安全等顯著優(yōu)勢，而且核聚變?nèi)剂蟻碓措弯囅鄬ωS富。從上世紀(jì)開始探索可控核聚變技術(shù)，到現(xiàn)如今多國可控核聚變技術(shù)走出實驗室邁向工程示范，這場“人造太陽”的夢想正加速“照進(jìn)現(xiàn)實”。
▲美國可控核聚變技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)啟動建設(shè)核聚變發(fā)電原型機(jī)。
5月，我國核聚變裝置緊湊型聚變能實驗裝置園區(qū)（BEST）開啟工程總裝。同一時期，美國也啟動了核聚變發(fā)電原型機(jī)SPARC建設(shè)。全球范圍內(nèi)一場圍繞可控核聚變技術(shù)的科技“賽跑”正悄然展開。
我國技術(shù)部署蹄疾步穩(wěn)
今年以來，我國可控核聚變技術(shù)商業(yè)部署按下“快進(jìn)鍵”。3月，我國核聚變裝置BEST首塊頂板順利澆筑，標(biāo)志著BEST全面進(jìn)入分區(qū)完工、分區(qū)交付的階段；5月，BEST在安徽合肥開啟工程總裝，較原計劃提前兩個月，預(yù)計2027年建成、2030年實現(xiàn)發(fā)電。
BEST將在第一代中國人造太陽EAST裝置基礎(chǔ)上，首次實現(xiàn)聚變能發(fā)電演示，推動燃燒等離子物理研究，為我國聚變能發(fā)展提供開創(chuàng)性支持。BEST核心目標(biāo)是首次實現(xiàn)氘氚燃燒等離子體的穩(wěn)定運行并演示發(fā)電，填補(bǔ)從“實驗堆”到“示范堆”的工程化空白。光大證券指出，BEST啟動標(biāo)志著我國在可控核聚變領(lǐng)域的技術(shù)突破和工程化應(yīng)用進(jìn)入新階段。
作為全球首個緊湊型聚變實驗裝置，BEST采用模塊化設(shè)計，體積比傳統(tǒng)裝置如國際熱核聚變實驗堆（ITER）縮小40%，但聚變功率密度提升3倍，計劃2027年驗證能量凈增益，即輸出能量超過輸入能量，為聚變發(fā)電商業(yè)化提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，2035年建成聚變工程示范堆，2050年前實現(xiàn)聚變能商業(yè)化發(fā)電。
值得一提的是，我國為ITER貢獻(xiàn)突出。ITER組織4月底宣布，經(jīng)過數(shù)十年努力，這一由30多個國家參與建造的“人造太陽”已完成其“電磁心臟”——世界最大、最強(qiáng)的脈沖超導(dǎo)電磁體系統(tǒng)的全部組件建造，標(biāo)志著向?qū)崿F(xiàn)可控核聚變能源邁出關(guān)鍵一步。
ITER是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的托卡馬克裝置，旨在模擬太陽發(fā)光發(fā)熱的核聚變過程，探索可控核聚變技術(shù)商業(yè)化可行性，由歐盟、中國、美國、日本、韓國、印度和俄羅斯等共同資助。
托卡馬克是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器，新建成的脈沖磁體系統(tǒng)是托卡馬克裝置的“電磁心臟”。ITER組織總干事彼得羅·巴拉巴斯基說表示：“在這一國際合作中，中國貢獻(xiàn)至關(guān)重要。在可控核聚變領(lǐng)域，中國無論是在資源部署還是工業(yè)能力部署方面進(jìn)展都較快?！?/span>
據(jù)悉，ITER磁體饋線系統(tǒng)由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所研制，被稱為ITER磁體系統(tǒng)的“生命線”。作為ITER中國工作組重要單位之一，等離子體物理研究所承擔(dān)了超導(dǎo)體、校正場線圈、磁體饋線、電源、診斷等眾多采購包，占中國承擔(dān)ITER采購包任務(wù)的大部分。
美國啟動建設(shè)原型機(jī)
美國有線電視新聞網(wǎng)報道稱，5月，美國可控核聚變技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)Commonwealth Fusion Systems在波士頓郊外一座工業(yè)園區(qū)啟動核聚變發(fā)電原型機(jī)SPARC建設(shè)。SPARC是一個類似“甜甜圈”形狀的托卡馬克裝置。托卡馬克裝置中央是一個環(huán)形真空室，外面纏繞著線圈。通電的時候，托卡馬克裝置內(nèi)部會產(chǎn)生巨大螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高溫度，以達(dá)到核聚變目的。截至目前，科學(xué)界傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，托卡馬克裝置越大，性能越強(qiáng)。
Commonwealth Fusion Systems公司表示，SPARC尺寸與現(xiàn)有中型聚變裝置相當(dāng)，但磁場更強(qiáng)。通過強(qiáng)大電磁鐵產(chǎn)生適合聚變能的條件，包括超過1億攝氏度的內(nèi)部溫度，預(yù)計將產(chǎn)生50—100兆瓦聚變功率，實現(xiàn)大于10的聚變增益。SPARC產(chǎn)生的能量是煤炭或天然氣的1000萬倍。
如果一切按計劃推進(jìn)，SPARC有望在本世紀(jì)三十年代初成為美國首個商業(yè)可控核聚變發(fā)電設(shè)施，預(yù)計可產(chǎn)生400兆瓦電力，相當(dāng)于15萬戶家庭用電需求。
目前，SPARC一大障礙是能否建造足夠強(qiáng)大的磁體來駕馭熔融、難以馴服的等離子體，即發(fā)生核聚變反應(yīng)的帶電氣體超熱云團(tuán)，等離子體溫度極高且非常，其密度比空氣低100萬倍。同時，還要克服能量凈增益問題。
據(jù)悉，Commonwealth Fusion Systems公司已經(jīng)募集20億美元私人資本，目標(biāo)是本世紀(jì)30年代在弗吉尼亞州建成世界上第一座核聚變供能發(fā)電廠。
今年初，美國能源部宣布為核聚變創(chuàng)新研究引擎合作組織中的6個項目提供1.07億美元資金，推動美國聚變能源戰(zhàn)略提速。根據(jù)美國《聚變能源法案》，為加快先進(jìn)核反應(yīng)堆部署，聯(lián)邦政府將為商業(yè)核聚變裝置頒發(fā)許可證，以簡化商業(yè)核聚變的實施過程。
5月23日，美國總統(tǒng)特朗普簽署了一系列有關(guān)核能的行政命令，涉及對美國核管理委員會進(jìn)行全面改革、修改監(jiān)管流程以加快核反應(yīng)堆測試等，希望2029年1月即特朗普第二任期結(jié)束前“測試和部署”新的核反應(yīng)堆。美國媒體指出，受政策利好，美國可控核聚變技術(shù)商業(yè)化將進(jìn)一步提速。
商業(yè)化仍需克服諸多挑戰(zhàn)
國際能源署預(yù)測，到2030年，全球核聚變市場規(guī)模有望達(dá)到4965.5億美元，2024至2030年間復(fù)合年均增長率為7.4%。
方正證券表示，可控核聚變或作為能源終極解決方案，商業(yè)化發(fā)展前景十分廣闊，近年來國內(nèi)外可控核聚變項目持續(xù)推進(jìn)，為商業(yè)化落地奠定基礎(chǔ)。
湘財證券指出，AI算力爆發(fā)帶來的電力需求激增，推動核聚變技術(shù)研發(fā)部署加速。今年以來，國內(nèi)相關(guān)項目招標(biāo)亦加快落地，看好核聚變技術(shù)發(fā)展加速。
目前，核聚變技術(shù)原理雖已基本解決，難點卻集中在如何維持反應(yīng)足夠長時間。也就是說，雖然科學(xué)原理清晰，但創(chuàng)造和約束這個“小太陽”的巨大工程和物理挑戰(zhàn)不容小覷，需要克服諸多極端條件，包括上億度高溫、強(qiáng)磁場、強(qiáng)中子輻照等。
聚變工業(yè)協(xié)會首席執(zhí)行官安德魯·霍蘭德表示：“現(xiàn)在的問題是，何時才能建成這樣一臺機(jī)器?！?/span>
美國能源部核聚變能源科學(xué)辦公室主任讓·保羅·阿蘭認(rèn)為：“我們需要考慮培育更多核聚變用氚燃料所需的供應(yīng)鏈，這需要獲得鋰資源儲備。全球范圍內(nèi)，鋰需求十分旺盛?！?/span>
“數(shù)字化時代，我們需要盡可能多的電力，”弗吉尼亞州州長格倫·揚金強(qiáng)調(diào)，“誰能贏得這場競賽，誰就能迅速抓住經(jīng)濟(jì)機(jī)遇?！?/span>
