可控核聚变：聚变创造梦想，核力展望未来
可控核聚变：聚变创造梦想，核力展望未来
可控核聚变技术是人类追求清洁能源的终极目标之一。通过模拟太阳内部的氢核聚变反应，科学家们致力于实现安全、清洁且几乎无限的能源供应。本文将为您详细介绍可控核聚变的基本原理、技术路线、产业链发展以及全球研究现状。
人造太阳，未来可期
可控核聚变——未来能源唯一方向
可控核聚变，本质是模拟太阳内部发生的氢核聚变反应。太阳之所以有源源不断的能量，就在于其内部一直在进行大量的核聚变。核聚变又称核融合，是一种小质量原子的原子核互相聚合生成中子并伴着巨大能量释放的热核反应，可以产生大量的能量。可控核聚变意味着人们可以控制核聚变的开启和停止，核聚变的反应速度和规模可以随时被调控，相当于可控的人造太阳。
核裂变反应堆发电是全球化趋势，但不是长久之计。传统的核反应堆采用核裂变释放出的热能代替煤炭燃烧生热，进而通过锅炉加热水，带动涡轮发电机进行发电。核裂变的原理是用低浓度铀235作为原料，用中子撞击一个铀235原子进而释放两个中子形成链式反应，持续放出能量。虽然核裂变发电相比传统煤炭发电燃料效率更高、更清洁，但核废料问题尚未解决，且铀储量有限，不满足人类可持续发展要求。
核聚变反应三要素——温度、密度、能量约束时间
相比核裂变的链式反应，核聚变需要满足的外部条件十分苛刻。一是足够高的温度，需要施加大约1亿℃高温才能将两个原子核变成等离子体，该温度相当于太阳核心温度的10倍，这对反应容器的耐受温度提出极限挑战；二是一定的密度，这样两原子核发生碰撞的概率就大；三是一定的能量约束时间，等离子体在有限的空间里被约束足够长时间，以获得净功率增益，即产生的聚变功率与用于加热等离子体的功率之比率。核聚变至少需要做到稳定运行240h才具备商业价值，而2023年4月创造的最高纪录是EAST达到的403秒稳态高约束等离子体。
三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值，才能产生有效的聚变功率输出。
可控核聚变的三条技术路线
要获得持续的核聚变能，除了满足严苛的外部条件，还要对高温聚变物质进行约束，延长可控聚变反应时间。解决可控核聚变主要有三种：磁约束、惯性约束和引力约束。其中引力约束在地球上无法实现，惯性约束由于电-激光转化损耗极高暂不具备开发前景，磁约束能量转化效率更高，是更具发展潜力、更成熟的路线。
引力约束主要是靠强大的万有引力来提供对聚变燃料的约束力。比如太阳的核心温度达1500万°C，巨大的质量（质量为地球33万倍）形成巨大的万有引力使外层的氢不断往中心挤压，形成极高的密度，在高温和高压的作用下，氢核裸露，再加上太阳有足够长的能量约束时间，使得核聚变反应得以持续发生。
NIF的四次点火实现核聚变的重大突破。美国国家点火装置（NIF）是美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）下属的一个大型实验设施，是世界上最大的激光聚变装置，通过聚焦激光束到微型燃料球上，能够产生高温高压的环境，实现核聚变反应。点火，就是指聚变反应堆释放的能量超过了输入的能量，这是可控核聚变技术的一个重要指标。NIF的主要组成部分是192个激光束线，每条激光束线都可产生高达500 兆焦耳（MJ）的脉冲能量。当这些激光束线同时聚焦在一个小球上时，可以形成数十亿度的高温和高压条件。 NIF的激光器虽然强大，但是效率很低。每次点火都需要消耗大量的电力，而且只能持续几十亿分之一秒。要实现可持续的核聚变反应，还需要更高的能量增益，更稳定的反应过程，更经济的运行成本。
磁约束是指用磁场约束等离子体的运动，从而实现核聚变的方式。以提高温度为突破口，聚变燃料在极高温下会完全电离为由原子核和自由电子组成的等离子体，让这团等离子体置身于强磁场的空间，带电的原子核与电子在垂直于磁场方向不再自由只能沿着磁场方向做回旋运动，从而受到约束，将高温的燃料与反应容器隔绝开。磁约束核聚变常用的实现方式是托卡马克和仿星器。托卡马克在保持等离子体温度方面更出色，而仿星器在保持等离子体稳定方面更出色。环形托卡马克被普遍认为是最有希望实现可控核聚变的装置，也是目前主流的研究方向。中国的东方超环（EAST）和国际热核聚变实验堆（ITER）均利用其来尝试实现核聚变反应过程。 “托卡马克”的名字由俄文中环形、真空室、磁、线圈四个词的前几个字母组成，通过在环形真空室中构造出一个闭合的螺旋磁场，完成对高温等离子体的约束，聚变燃料在周而复始的运动中完成核聚变反应。
聚势而强，核项目遍地开花
核聚变产业链
核聚变产业链的上游主要是原料供应，覆盖有色金属(钨、铜等)、特种钢材、特种气体(急)等原料供应。 中游覆盖聚变技术研发、装备制造(第一壁、偏滤器、蒸汽发生器、超导磁线圈等组件)及仿真、控制软件的开发。 下游核电建设和运营，主要目标市场为发电。
核聚变产业发展带动超导磁体的需求
超导磁体是托卡马克关键组成部分。所有托卡马克的终极目标是将氘氚聚变原料加热到点火点或更高的温度，并加以控制地持续尽可能长的反应时间，以追求连续的聚变能量输出。即使采用导电性良好的铜作为导体绕制线圈，由于电流巨大线圈不可避免地存在发热问题，从而限制了磁约束核聚变的长时间稳态运行。由于超导体具有零电阻效应，且承载电流密度更高有利于建造更加紧凑、更高场强的聚变装置，因此可以极大提升等离子体的约束时间，有效改善长脉冲稳态运行。
超导磁体几乎占托卡马克总成本的一半。基于高温超导材料的强磁场小型化托卡马克技术路线有望大幅降低聚变装置成本，建设期或将缩短到3至4年，大幅缩短技术迭代周期，使聚变发电初步具备商业化潜力，核聚变能研发进入工程可行性阶段，同时可控核聚变实验也将带动超导磁体需求的增加。
全球各国积极布局核聚变产业
我国已确定以磁约束聚变作为核聚变技术发展的主要路线，其中关键技术已达到全球领先水平。中国可控核聚变研究始于20世纪50年代中期。1994年，建成了第一台超导托卡马克装置HT-7。2002年，建成了具有偏滤器位形的中国环流器二号Ａ装置（HL-2A），2006年，世界上第一台全超导托卡马克装置东方超环（EAST）首次成功放电。 2008年至2023年11月20日，我国国家磁约束核聚变能发展研究专项共部署220个项目，总计安排经费约60亿元，取得多项国际和国内第一的研究成果。
可控核聚变项目频出
国际热核聚变实验堆ITER是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一。其目的是通过建造反应堆级核聚变装置，验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步。该计划由中、欧、俄、美、日、韩和印度等七方30多个国家共同合作，中国于2006年正式加入ITER计划，是我国以平等、全权伙伴身份参加的迄今为止规模最大的国际科技合作项目，中国在ITER项目中负责18个采购包的实物贡献，约占9%。
ITER可分为主体部分、配套系统。主体部分研制难度大，主要包括磁体系统、真空室、真空杜瓦、包层模块、偏滤器五个部分。配套系统需支撑庞大的装置运转，复杂性强，主要包括电源系统、加热与电流驱动系统、冷却水系统、诊断系统、低温系统等。
风口已至，展望未来
核聚变市场乘风而上
核聚变产业公司数量快速增加，有越来越多的团队选择加入聚变产业，技术路径也越来越多元化。公司数量从2022年33家增长到2023年接近50家，一年内有3家退出，13家新增。 聚变公司的地理分布也很广泛，共分布在12个国家，美国公司数量继续位居第一，达25家，是行业发展的主导市场，有2家公司位于中国，即新奥科技发展公司和能量奇点公司。 融资总额持续增长。截至2023年，全球聚变公司累计融资超过62亿美元，比2022年的48亿美元增加了约14亿美元，增幅达27%。尽管面临通胀和利率上升等宏观环境压力，投资者对聚变能商业应用的兴趣和支持仍在稳步增长。
高温超导技术不断突破，相关企业积极布局可控核聚变领域。2023年12月29日，由25家央企、科研院所、高校等 组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立，标志着国家及其他社会团体对于可控核聚变的重视程度及投入力度的 进一步提升，我国可控核聚变进展加速。
未来发展任重道远
核聚变“可控”和“商业化”依然道阻且长。根据科尔尼管理咨询，“核聚变技术需要几十年的时间才能取得规模性的 商业运用，各类挑战将继续阻碍核能源在未来五年内作为替代性可再生能源的进程”。 现阶段技术发展仍处于培育期，真正实现“可控”和“商业化”还需攻克技术、材料、工程等多重难题。