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2021年以來，全球爆發(fā)兩輪能源危機(jī)。其一是2021年下半年因經(jīng)濟(jì)加速復(fù)蘇，但供給受限，疊加極端天氣等因素導(dǎo)致的全球能源危機(jī)。其二是2022年俄烏沖突爆發(fā)后，美西方國家不斷加碼制裁，俄羅斯將能源作為反制裁“武器”，全球能源市場劇烈震蕩，引爆第二輪全球能源危機(jī)。在此背景下，清潔、穩(wěn)定、高效的能源備受關(guān)注。聚變技術(shù)具有來源豐富、釋放能量大等優(yōu)勢，被認(rèn)為是解決人類能源短缺問題的終極方案。2022年，聚變領(lǐng)域取得多個(gè)突破性進(jìn)展，引起全球關(guān)注：美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）首次成功在聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”，實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展；英國First Light Fusion公司利用彈丸聚變技術(shù)首次成功實(shí)現(xiàn)聚變；歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）創(chuàng)造新的能量紀(jì)錄等。本文就聚變領(lǐng)域重要事件進(jìn)行分析，以供參考。
一、難以實(shí)現(xiàn)的可控聚變 聚變技術(shù)與核電站所用的核裂變技術(shù)不同，它是由較輕的原子核聚變成較重的原子核，一般用氫的同位素氘或者氚聚變來釋放能量。同時(shí)，氘是大海中普遍存在的元素，含量約占海水總量的十萬分之三。人類20世紀(jì)50年代就成功進(jìn)行了氫彈試驗(yàn)（不可控聚變），但至今仍未掌握可控聚變技術(shù)。聚變需要在超高溫和高壓環(huán)境下，讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個(gè)原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用。由于無法達(dá)到聚變所需的巨大壓力，通過將溫度提高到上億攝氏度才能觸發(fā)反應(yīng)，但目前人類沒有任何材料可以承受如此溫度。對(duì)此，主流的聚變?cè)O(shè)施或是通過超強(qiáng)磁場約束超高溫等離子體，防止其接觸超強(qiáng)磁場容器（即磁約束）；或是在極短時(shí)間內(nèi)，以高能量脈沖激光照射一個(gè)固態(tài)球狀核燃料，將燃料球外層加熱至等離子體化，外層爆裂所出現(xiàn)的反作用力形成震波向內(nèi)傳播造成內(nèi)爆，壓迫內(nèi)部的氘與氚形成高壓高溫，造成自發(fā)性的燃燒，并產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（即慣性約束）。美國LLNL和英國First Light Fusion公司的設(shè)施都利用了慣性約束聚變技術(shù)；全球多國參與的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）、歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）、英國托卡馬克能源公司的新型球形托卡馬克原型裝置ST80-HTS、美國麻省理工學(xué)院（MIT）和英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)（CFS）開發(fā)的聚變反應(yīng)堆原型（SPARC）則是磁約束聚變技術(shù)。我國的“人造太陽”HL-2M也利用了磁約束聚變技術(shù)。
（磁約束，圖片來源：國際原子能機(jī)構(gòu)）
（慣性約束，圖片來源：LLNL）
二、聚變技術(shù)取得新突破，商業(yè)化進(jìn)程加速 （一）LLNL實(shí)現(xiàn)“凈能量增益” 2022年12月13日，美國能源部宣布LLNL的國家點(diǎn)火裝置（NIF）于2022年12月5日的慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了“聚變能量增益”，實(shí)驗(yàn)輸出能量（3.15兆焦耳）大于激光輸入能量（2.05兆焦耳），能量輸出與能量輸入之比“聚變?cè)鲆嫦禂?shù)Q值”大于1。而此前類似的實(shí)驗(yàn)無法產(chǎn)生正能量增益，該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的突破。在實(shí)驗(yàn)中，LLNL將氘氚核材料做成一個(gè)直徑約1毫米的燃料球，將其放入環(huán)空器內(nèi)，然后用192路高功率激光束同時(shí)打在環(huán)空器內(nèi)壁上（激光束直接照射燃料球無法達(dá)到所需溫度），激發(fā)環(huán)空器內(nèi)壁射出X射線，這些X射線把燃料球瞬間加熱到300萬攝氏度，引發(fā)速度達(dá)到400公里/秒的內(nèi)爆，誘發(fā)球內(nèi)氘氚聚變。
（圖片來源：LLNL） 分析來看，LLNL雖然宣稱實(shí)現(xiàn)了“凈能量增益”，但其激光輸入能量指的是激光束向燃料球傳輸?shù)哪芰?，但從全套裝置來看，從電能轉(zhuǎn)化激光束能量則消耗了322兆焦的能量。因此，NIF距離真正意義上的凈能量增益還有很長的路要走。根據(jù)LLNL主任Kim Budil、LLNL武器物理與設(shè)計(jì)副主任Mark Herrmann和美國能源部研究中心阿貢國家實(shí)驗(yàn)室前主任Peter Littlewood表示，NIF是目前建造的最大激光器，旨在研究爆炸中的高溫和高壓效應(yīng)，為核武器研究提供支持，而非接入電網(wǎng)。 （二）英國First Light Fusion公司利用彈丸聚變技術(shù)實(shí)現(xiàn)聚變 2022年4月5日，英國First Light Fusion公司宣布利用彈丸聚變（Projectile Fusion）技術(shù)首次成功實(shí)現(xiàn)聚變，英國原子能管理局獨(dú)立驗(yàn)證了這一成果。彈丸聚變技術(shù)是一種新的慣性約束聚變技術(shù)，具有簡單、節(jié)能、物理風(fēng)險(xiǎn)低的特點(diǎn)。
（圖片來源：First Light Fusion） 具體而言，該公司使用兩級(jí)超高速氣槍向其開發(fā)的獨(dú)特靶材發(fā)射一枚重100克的射彈，射彈在撞擊含有聚變?nèi)剂系陌胁那斑_(dá)到每秒6.5公里的速度，燃料被壓縮到1億個(gè)大氣壓，以實(shí)現(xiàn)聚變所需的溫度和密度。燃料在內(nèi)爆時(shí)的速度達(dá)到每秒70公里以上，從而誘發(fā)聚變。靶材釋放出的聚變能量脈沖被反應(yīng)室內(nèi)流動(dòng)的鋰吸收，熱交換器將鋰的熱量傳遞到水中，產(chǎn)生蒸汽，使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生電力。根據(jù)First Light Fusion官網(wǎng)介紹，自2011年從牛津大學(xué)分離后，該公司實(shí)現(xiàn)聚變僅花費(fèi)4500萬英鎊就成本實(shí)現(xiàn)了聚變，相比其他聚變技術(shù)發(fā)展速度更快。根據(jù)該公司的構(gòu)想，在未來的彈丸聚變發(fā)電廠中，彈丸聚變過程每30秒就可重復(fù)一次，每個(gè)靶材釋放的能量可為一個(gè)普通英國家庭供電超過2年，發(fā)電成本也將低于50美元/兆瓦，可與其他可再生能源在成本上競爭。該公司計(jì)劃在本世紀(jì)30年代建設(shè)一座功率15萬千瓦的試點(diǎn)聚變電廠，建設(shè)費(fèi)用將低于10億美元。相關(guān)技術(shù)進(jìn)展值得關(guān)注。
（圖片來源：First Light Fusion） （三）日本京都聚變工程公司設(shè)計(jì)全球首個(gè)聚變電廠綜合測試設(shè)施 2022年7月6日，日本京都聚變工程公司（Kyoto Fusioneering）完成聚變電廠設(shè)備綜合測試設(shè)施的初步設(shè)計(jì)，已啟動(dòng)設(shè)施建設(shè)，并計(jì)劃于2024年示范使用聚變相關(guān)技術(shù)發(fā)電。該設(shè)施名為“獨(dú)特的綜合測試設(shè)施”（UNITY），是世界上建設(shè)的首座此類設(shè)施。UNITY將通過工程模擬聚變動(dòng)力核心內(nèi)的熱和電磁環(huán)境，在不使用核反應(yīng)的情況下對(duì)聚變發(fā)電廠中的一套能量轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行集成測試，此外，UNITY還配備了氚回收系統(tǒng)、測試毯模塊、液態(tài)金屬和熔鹽的主要冷卻回路、熱交換器等，可以模擬等離子加熱、等離子排氣、氫氚泵和聚變?nèi)剂涎h(huán)演示等。
（圖片來源：Kyoto Fusioneering） 分析來看，UNITY是全球首個(gè)將聚變反應(yīng)堆技術(shù)作為一個(gè)綜合性系統(tǒng)進(jìn)行測試的設(shè)施，具有開創(chuàng)性設(shè)計(jì)，可在一個(gè)設(shè)施中測試聚變電廠所需多個(gè)系統(tǒng)。這種先進(jìn)的測試平臺(tái)將吸引聚變領(lǐng)域公司和人才，并幫助他們集中資源開發(fā)聚變核心技術(shù)，對(duì)聚變技術(shù)發(fā)展有積極意義。 （四）美國聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司開發(fā)具有商業(yè)意義的聚變反應(yīng)堆 美國聯(lián)邦聚變系統(tǒng)（Commonwealth Fusion Systems）公司（從麻省理工學(xué)院分離）和美國麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心（PSFC）正在開發(fā)一個(gè)磁約束聚變反應(yīng)堆原型SPARC。Commonwealth Fusion Systems表示，研究人員在材料、計(jì)算機(jī)建模和控制系統(tǒng)等領(lǐng)域取得了關(guān)鍵突破，有助于更深刻地理解高溫等離子體。SPARC的設(shè)計(jì)結(jié)合了既往聚變項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過同行評(píng)審Q>2，具有商業(yè)意義。
（圖片來源：Commonwealth Fusion Systems） （五）歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆刷新紀(jì)錄 2022年2月9日，歐洲核聚變研發(fā)創(chuàng)新聯(lián)盟（EURO fusion）、英國原子能管理局（UKAEA）和國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆召開聯(lián)合新聞發(fā)布會(huì)稱，歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）在5秒內(nèi)產(chǎn)生了能量輸出為59兆焦耳的穩(wěn)定等離子體，打破了該裝置在1997年創(chuàng)下的22兆焦耳核聚變能量的紀(jì)錄，同時(shí)刷新了世界紀(jì)錄。該實(shí)驗(yàn)的意義在于證明燃料能夠以可持續(xù)的方式燃燒，同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)也為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目提供了重要支持。
（圖片來源：EURO fusion） （六）美國Zap Energy公司的Z箍縮聚變技術(shù)取得突破 2022年6月22日，美國Zap Energy公司宣布其第四代Z箍縮（Z-pinch）設(shè)施——FuZE-Q創(chuàng)造了第一個(gè)等離子體。據(jù)悉，Z-箍縮的磁場來自陽極和陰極之間等離子體（或細(xì)金屬絲）攜帶的大電流，電流產(chǎn)生的磁場與電流自身正交，產(chǎn)生洛倫茲力壓強(qiáng)。設(shè)施啟動(dòng)后，等離子體溫度密度較低，等離子體壓強(qiáng)比較弱，但電流很大，洛倫茲力壓強(qiáng)很強(qiáng)，等離子體將會(huì)向心箍縮。隨著等離子體體積的大幅縮小，等離子體的溫度和密度迅速升高，最終達(dá)到聚變反應(yīng)條件。雖然磁場深度參與了Z-箍縮過程，但Z-箍縮過程與激光聚變類似，一般將其歸為慣性約束聚變技術(shù)。
（圖片來源：Zap Energy） Z-箍縮聚變技術(shù)的難點(diǎn)在于設(shè)施部件如何設(shè)計(jì)以承受大電流（500千安培），以及等離子體“隆起不穩(wěn)定性”和“扭曲不穩(wěn)定性”導(dǎo)致聚變過程中止等。Zap Energy公司利用流體力學(xué)中的剪切軸流穩(wěn)定技術(shù)（sheared-flow-stabilized），保持等離子體穩(wěn)定。在解決穩(wěn)定性難題后，預(yù)計(jì)Z-箍縮聚變技術(shù)將在近幾年取得新的突破。
三、總結(jié) 聚變技術(shù)作為當(dāng)今人類面臨的最復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)之一，蘊(yùn)含著人類對(duì)于實(shí)現(xiàn)清潔、穩(wěn)定、取之不竭的能源的美好向往。雖然目前磁約束聚變技術(shù)（Q=0.67）和慣性約束聚變技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)凈能量增益，但人類對(duì)該技術(shù)的探索愈發(fā)熱情。中國參與的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目的第一階段目標(biāo)就包括Q=10、脈沖維持大于400秒等，第二階段目標(biāo)包括Q=5、脈沖維持大于3000秒等，將使人類距離可控聚變更進(jìn)一步。2021年，中國全超導(dǎo)托卡馬克東方超環(huán)（EAST）裝置實(shí)現(xiàn)了等離子體在1.2億攝氏度下101秒運(yùn)行、1.6億攝氏度下20秒運(yùn)行，以及電子溫度近7000萬攝氏度下的長脈沖高參數(shù)等離子體1056秒運(yùn)行，創(chuàng)下了世界紀(jì)錄；2022年，中國新一代“人造太陽”托卡馬克裝置（HL-2M）等離子體電流突破100萬安培（1兆安），創(chuàng)造了中國可控聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄。中國也設(shè)定磁約束聚變發(fā)展路線圖，確定了近期、中期和遠(yuǎn)期技術(shù)目標(biāo)，包括2021年至2035年建設(shè)、運(yùn)行聚變工程實(shí)驗(yàn)堆；2035年至2050年發(fā)展聚變電站，探索聚變商用電站的工程、安全、經(jīng)濟(jì)性。未來，人類將更接近商用聚變技術(shù)，也將享受它為世界帶來的清潔、穩(wěn)定、豐富能源。
（圖片來源：中國工程院） 作者簡介 張宇麒 國務(wù)院發(fā)展研究中心國際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所研究五室，三級(jí)分析員 研究方向：能源領(lǐng)域前沿技術(shù)研究跟蹤及產(chǎn)業(yè)、政策研究 聯(lián)系方式：1055791136@qq.com |
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