洞察核聚变能源：未来清洁能源的曙光_44

福临祥门进

核聚变技术的原理与突破

核聚变是指轻原子核（如氘和氚）在极端高温高压条件下结合成较重原子核并释放巨大能量的过程。这一现象与太阳的能量产生机制相同，因此被称为"人造太阳"。与当前核电站使用的核裂变技术相比，聚变反应不产生长寿命放性废物，燃料来源广泛（1升海水含有的氘能量相当于300升汽油），且理论上单次反应释放能量是裂变的4倍。2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔验室首次现"净能量增益"（Q值大于1），标志着人类在可控核聚变领域取得历史性突破。国际热核验堆(ITER)的里程碑意义

位于法国南部的ITER项目是当今规模比较大的国际合作科研工程，35个共同投资220亿美元建造的托卡马克装置，其等离子体容积达840立方米，是现有比较大装置的10倍。该装置采用超导磁体约束15亿摄氏度高温等离子体，通过氘氚反应计划现500兆瓦的聚变功率输出（输入功率仅50兆瓦）。2023年完成的核心部件安装包括：重达1250吨的杜瓦底座、由研制的增强热负荷首壁模块，以及日本制造的超导线圈系统。项目预计2025年首次等离子体放电，2035年现全功率运行，将为商业示范堆（DEMO）设计提供关键数据。





"人造太阳"EAST的持续突破

中科院物质科学研究院的全超导托卡马克装置（EAST）保持多项世界纪录：2022年现12亿℃等离子体运行101秒，2023年又达成403秒稳态长脉冲高约束模式运行。其创新技术包括钨偏滤器设计、低环径比位形控制等。2023年建成的聚变工程验堆（CFETR）将现聚变功率1000兆瓦，计划分个阶段施：2035年前建成燃烧等离子体验堆，2040年现示范发电，2050年前完成商业堆技术储备。还率先开展氦3聚变研究，为月球资源开发奠定基础。商业化路径与产业机遇

私营企业正探索不同于托卡马克的技术路线：美国TAET采用直线加速器约束等离子体，已获谷歌等12亿美元投资；英国TE研发高温超导磁体，将装置体积缩小80%；加拿大GF的磁化靶聚变方案使用机械压缩。根据国际能源署预测，2030年全球将建成首个并聚变电站，到2050年聚变发电占比可达10%。产业链机会涵盖：超导材料（如YBCO带材）、等离子体加热系统（中性束注入器、回旋管）、氚增殖包层（液态锂铅合金）等细分领域。





能源革命与社会影响

核聚变商业化将重塑全球能源格局：1公斤聚变燃料相当于1万吨煤的能量，且原料成本近乎为零。沙漠地区可建设聚变海水淡化综合设施，沿海城市通过聚变供能现碳负排放。据麦肯锡研究，到2040年该领域将创造200万个高技能岗位，带动材料科学、人工智能控制、机器人维护等学科发展。发展中有望跳过化石能源阶段直接进入聚变时代，从根本上解决能源贫困问题。技术挑战与创新方向

当前主要瓶颈包括：等离子体不稳定性控制（如边缘局域模）、耐中子辐照材料开发（要求承受14MV中子轰击30年）、氚自持循环（需要锂包层增殖效率达11以上）。MIT研发的高温超导磁体可将磁场强度提升至20特斯拉，使紧凑型聚变堆成为可能。人工智能在等离子体时控制方面表现突出：DM开发的算法能在毫秒级预测撕裂模不稳定性。激光惯性约束方面，美国点火装置（NIF）正研究更高效率的间接驱动方案。