核聚變能源的基本原理與科學(xué)突破

    核聚變是指輕原子核（如氫的同位素氘和氚）在極端高溫高壓條件下結(jié)合成較重原子核（如氦），同時(shí)釋放巨大能量的過(guò)程。這一現(xiàn)象與太陽(yáng)的能量產(chǎn)生機(jī)制相同，因此被稱(chēng)為"人造太陽(yáng)"技術(shù)。與當(dāng)前核電站使用的核裂變技術(shù)相比，聚變反應(yīng)具有燃料儲(chǔ)量近乎無(wú)限（海水中含有的氘可供人類(lèi)使用數(shù)億年）、不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命放射性廢料、固有安全性高等顯著優(yōu)勢(shì)。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值大于1）的激光慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著人類(lèi)在可控核聚變領(lǐng)域取得歷史性突破。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）與各國(guó)研發(fā)進(jìn)展

    由35個(gè)國(guó)家共同參與的ITER項(xiàng)目是目前全球最大的國(guó)際合作科研工程之一。位于法國(guó)南部的托卡馬克裝置計(jì)劃在2025年首次等離子體放電，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)Q值達(dá)到10（輸入50兆瓦功率，輸出500兆瓦聚變功率）。中國(guó)自主設(shè)計(jì)的EAST裝置在2021年實(shí)現(xiàn)1.2億攝氏度等離子體運(yùn)行101秒的世界紀(jì)錄。私營(yíng)企業(yè)也展現(xiàn)出強(qiáng)勁活力，如英國(guó)Tokamak Energy采用高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)，將裝置體積縮小到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的1/10；美國(guó)Helion Energy則創(chuàng)新性地結(jié)合磁慣性約束技術(shù)，計(jì)劃在2028年前建成首個(gè)商用聚變發(fā)電站。

關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與創(chuàng)新解決方案

    實(shí)現(xiàn)持續(xù)可控核聚變面臨三大核心挑戰(zhàn)：首先是上億度高溫等離子體的穩(wěn)定約束，目前主流采用環(huán)形磁場(chǎng)的托卡馬克裝置或激光壓縮靶丸的慣性約束方案。中國(guó)在鎢偏濾器材料、等離子體控制算法等方面取得重要突破。其次是耐中子輻照材料開(kāi)發(fā)，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子會(huì)使結(jié)構(gòu)材料脆化，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研發(fā)的CLF1鋼在抗輻照性能上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。第三是氚自持技術(shù)，需要通過(guò)在包層中增殖鋰6來(lái)補(bǔ)充反應(yīng)消耗的氚燃料，歐洲D(zhuǎn)EMO項(xiàng)目設(shè)計(jì)的氚增殖包層預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)1.1的增殖比。

能源轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值與經(jīng)濟(jì)影響

    根據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，全球首個(gè)商業(yè)化聚變電站有望在2040年前后并網(wǎng)發(fā)電。每座1000兆瓦聚變電站年發(fā)電量可達(dá)80億度，相當(dāng)于減少600萬(wàn)噸二氧化碳排放。與傳統(tǒng)能源相比，聚變發(fā)電的燃料成本幾乎可以忽略不計(jì)——1公斤氘氚混合物的能量相當(dāng)于1萬(wàn)噸煤炭。麥肯錫研究報(bào)告指出，到2050年核聚變可能形成3000億美元規(guī)模的全球產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)造數(shù)百萬(wàn)高質(zhì)量就業(yè)崗位。中國(guó)已將聚變能開(kāi)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，預(yù)計(jì)未來(lái)十年研發(fā)投入將超過(guò)300億元人民幣。

未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景與社會(huì)變革展望

    除基荷電力供應(yīng)外，聚變能源還將深刻改變多個(gè)領(lǐng)域：在航天方面，緊湊型聚變推進(jìn)系統(tǒng)可使火星航行時(shí)間縮短至3個(gè)月；在海水淡化領(lǐng)域，聚變電廠耦合熱法淡化裝置可日產(chǎn)淡水百萬(wàn)噸級(jí)；對(duì)于極地開(kāi)發(fā)，模塊化聚變堆能提供穩(wěn)定的能源保障。更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，氦3聚變可能成為月球資源開(kāi)發(fā)的核心驅(qū)動(dòng)力——月壤中富含的氦3足夠滿(mǎn)足地球萬(wàn)年能源需求。社會(huì)學(xué)家預(yù)測(cè)，近乎無(wú)限的清潔能源將重塑人類(lèi)生產(chǎn)生活方式，可能催生"能源共產(chǎn)主義"等新型社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)。

中國(guó)在聚變賽道上的戰(zhàn)略布局

    我國(guó)通過(guò)"三步走"戰(zhàn)略系統(tǒng)推進(jìn)聚變能開(kāi)發(fā)：第一步通過(guò)EAST裝置掌握高溫等離子體約束技術(shù)；第二步建設(shè)中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR），計(jì)劃2035年建成實(shí)現(xiàn)200兆瓦穩(wěn)態(tài)運(yùn)行；最終在2050年前建設(shè)商用示范堆。成都、合肥已形成聚變產(chǎn)業(yè)集群，涵蓋超導(dǎo)磁體、真空室制造等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2023年啟動(dòng)的"聚變裂變混合堆"國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)，探索利用聚變中子嬗變核廢料的創(chuàng)新路徑。人才培養(yǎng)方面，清華大學(xué)、中國(guó)科大等高校設(shè)立聚變交叉學(xué)科，每年培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才300余名，為這項(xiàng)世紀(jì)工程儲(chǔ)備智力資源。