核聚變技術(shù)的原理與突破

    核聚變作為太陽(yáng)的能量來(lái)源，其原理是將輕原子核（如氘和氚）在極端高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核，過(guò)程中釋放巨大能量。與當(dāng)前核電站使用的核裂變技術(shù)相比，聚變反應(yīng)不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢物，且燃料取自海水中的氘（1升海水含氘能量相當(dāng)于300升汽油），理論上可實(shí)現(xiàn)近乎無(wú)限的清潔能源供應(yīng)。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"（Q＞1），標(biāo)志著人類在慣性約束聚變領(lǐng)域取得歷史性突破。該實(shí)驗(yàn)使用192束高能激光轟擊氘氚靶丸，在100萬(wàn)億分之1秒內(nèi)產(chǎn)生3.15兆焦耳能量輸出，超出輸入激光能量的150%。

國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的里程碑意義

    位于法國(guó)南部的ITER項(xiàng)目是當(dāng)今規(guī)模最大的托卡馬克裝置，由中國(guó)、歐盟、美國(guó)等35國(guó)共同參與建造。其環(huán)形真空室直徑達(dá)19米，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)可產(chǎn)生相當(dāng)于地球磁場(chǎng)10萬(wàn)倍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)劃在2025年首次等離子體放電。ITER采用氘氚混合燃料，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)Q≥10的持續(xù)燃燒（500兆瓦輸出/50兆瓦輸入），持續(xù)時(shí)間達(dá)400600秒。特別值得注意的是，中國(guó)承擔(dān)了ITER約9%的采購(gòu)包，包括核心部件超導(dǎo)饋線系統(tǒng)和第一壁材料的研發(fā)。國(guó)產(chǎn)鎢銅偏濾器模塊已通過(guò)極端熱負(fù)荷測(cè)試（20兆瓦/平方米），性能優(yōu)于歐盟同類產(chǎn)品。

商業(yè)化進(jìn)程中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

    盡管取得突破，核聚變商業(yè)化仍面臨三重技術(shù)壁壘：首先是材料耐受性，聚變產(chǎn)生的高能中子流（14.1MeV）會(huì)使反應(yīng)堆內(nèi)壁材料每57年就需要更換，中國(guó)開發(fā)的CLF1低活化鋼在抗輻照性能上已領(lǐng)先國(guó)際水平。其次是燃料循環(huán)系統(tǒng)，目前氚增殖包層效率需達(dá)到1.05以上才能維持自持反應(yīng)，日本JT60SA裝置最新實(shí)驗(yàn)顯示液態(tài)鋰鉛包層可提升氚增殖率至1.15。第三是能量轉(zhuǎn)換效率，傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)僅能轉(zhuǎn)化40%熱能，而中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院正在測(cè)試的氦氣布雷頓循環(huán)可將效率提升至50%以上。

新型聚變裝置的創(chuàng)新探索

    除傳統(tǒng)托卡馬克路線外，全球涌現(xiàn)出多種創(chuàng)新設(shè)計(jì)：美國(guó)TAE Technologies采用緊湊型場(chǎng)反位形裝置，使用氫硼燃料避免中子輻射問(wèn)題，其Norman裝置已實(shí)現(xiàn)1億度等離子體維持30毫秒。英國(guó)Tokamak Energy的球形托卡馬克結(jié)合高溫超導(dǎo)磁體，體積僅為ITER的1/10但磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)3特斯拉。最引人注目的是MIT與CFS公司合作的SPARC項(xiàng)目，采用稀土鋇銅氧（REBCO）超導(dǎo)帶材制造磁體，預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)Q＞2的持續(xù)反應(yīng)，這將是首個(gè)發(fā)電量大于耗電量的示范電站。

中國(guó)在聚變領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局

    中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M（HL2M）2020年實(shí)現(xiàn)1.5億度等離子體運(yùn)行，創(chuàng)下國(guó)內(nèi)紀(jì)錄。更雄心勃勃的CFETR（中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆）計(jì)劃2030年建成，設(shè)計(jì)熱功率達(dá)1GW，將填補(bǔ)ITER與商業(yè)堆之間的技術(shù)空白。在合肥科學(xué)島，EAST裝置2021年實(shí)現(xiàn)1.2億度101秒和1600萬(wàn)度20秒的雙重復(fù)合運(yùn)行，為ITER提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。民營(yíng)企業(yè)能量奇點(diǎn)公司2023年完成近4億元融資，正在建造全球首個(gè)全高溫超導(dǎo)托卡馬克洪荒70，預(yù)計(jì)2024年放電。這些進(jìn)展使中國(guó)有望在2050年前實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電并網(wǎng)。

能源革命與社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響

    核聚變商業(yè)化將重塑全球能源格局：1公斤氘氚燃料相當(dāng)于1000萬(wàn)公斤化石燃料，且原料成本僅約300美元。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2060年聚變發(fā)電可滿足全球30%電力需求，每年減少120億噸二氧化碳排放。在民生領(lǐng)域，聚變電站可徹底解決能源貧困問(wèn)題——單個(gè)2GW電站就能滿足400萬(wàn)戶家庭用電，且電價(jià)有望降至0.03美元/度。更深遠(yuǎn)的影響在于推動(dòng)氫經(jīng)濟(jì)，聚變產(chǎn)生的高溫可直接分解水制氫，為交通和工業(yè)提供清潔燃料。摩根士丹利預(yù)估，到2040年聚變產(chǎn)業(yè)鏈將形成2萬(wàn)億美元市場(chǎng)規(guī)模，創(chuàng)造超過(guò)500萬(wàn)個(gè)高技能崗位。