作為實現(xiàn)無限、清潔、安全能源應用的關鍵，核聚變被譽為“人類終極能源”。核聚變復制了太陽誕生過程，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。從上世紀開始探索可控核聚變技術，到現(xiàn)如今多國可控核聚變技術走出實驗室邁向工程示范，這場“人造太陽”的夢想正加速“照進現(xiàn)實”。
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SPARC建設。全球范圍內(nèi)一場圍繞可控核聚變技術的科技“賽跑”正悄然展開。
我國技術部署蹄疾步穩(wěn)
今年以來，我國可控核聚變技術商業(yè)部署按下“快進鍵”。3月，我國核聚變裝置BEST首塊頂板順利澆筑，標志著BEST全面進入分區(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，填補從“實驗堆”到“示范堆”的工程化空白。光大證券指出，BEST啟動標志著我國在可控核聚變領域的技術突破和工程化應用進入新階段。
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、最強的脈沖超導電磁體系統(tǒng)的全部組件建造，標志著向實現(xiàn)可控核聚變能源邁出關鍵一步。
ITER是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應的托卡馬克裝置，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，中國貢獻至關重要。在可控核聚變領域，中國無論是在資源部署還是工業(yè)能力部署方面進展都較快。”
據(jù)悉，ITER磁體饋線系統(tǒng)由中國科學院合肥物質科學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了超導體、校正場線圈、磁體饋線、電源、診斷等眾多采購包，占中國承擔ITER采購包任務的大部分。
美國啟動建設原型機
美國有線電視新聞網(wǎng)報道稱，5月，美國可控核聚變技術初創(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SPARC建設。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，以達到核聚變目的。截至目前，科學界傳統(tǒng)觀點認為，托卡馬克裝置越大，性能越強。
Commonwealth Fusion Systems公司表示，SPARC尺寸與現(xiàn)有中型聚變裝置相當，但磁場更強。通過強大電磁鐵產(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，SPARC有望在本世紀三十年代初成為美國首個商業(yè)可控核聚變發(fā)電設施，預計可產(chǎn)生400兆瓦電力，相當于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)生核聚變反應的帶電氣體超熱云團，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，目標是本世紀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》，為加快先進核反應堆部署，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核能的行政命令，涉及對美國核管理委員會進行全面改革、修改監(jiān)管流程以加快核反應堆測試等，希望2029年1月即特朗普第二任期結束前“測試和部署”新的核反應堆。美國媒體指出，受政策利好，美國可控核聚變技術商業(yè)化將進一步提速。
商業(yè)化仍需克服諸多挑戰(zhàn)
國際能源署預測，到2030年，全球核聚變市場規(guī)模有望達到4965.5億美元，2024至2030年間復合年均增長率為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，為商業(yè)化落地奠定基礎。
湘財證券指出，AI算力爆發(fā)帶來的電力需求激增，推動核聚變技術研發(fā)部署加速。今年以來，國內(nèi)相關項目招標亦加快落地，看好核聚變技術發(fā)展加速。
目前，核聚變技術原理雖已基本解決，難點卻集中在如何維持反應足夠長時間。也就是說，雖然科學原理清晰，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、強磁場、強中子輻照等。
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器。”
美國能源部核聚變能源科學辦公室主任讓·保羅·阿蘭認為：“我們需要考慮培育更多核聚變用氚燃料所需的供應鏈，這需要獲得鋰資源儲備。全球范圍內(nèi)，鋰需求十分旺盛。”
“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·揚金強調，“誰能贏得這場競賽，誰就能迅速抓住經(jīng)濟機遇。”
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