2021年以來，全球爆發(fā)兩輪能源危機。其一是2021年下半年因經(jīng)濟加速復蘇，但供給受限，疊加極端天氣等因素導致的全球能源危機。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。在此背景下，清潔、穩(wěn)定、高效的能源備受關注。聚變技術具有來源豐富、釋放能量大等優(yōu)勢，被認為是解決人類能源短缺問題的終極方案。2022年，聚變領域取得多個突破性進展，引起全球關注：美國能源部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）首次成功在聚變反應中實現(xiàn)“凈能量增益”，實現(xiàn)了突破性進展；英國First Light Fusion公司利用彈丸聚變技術首次成功實現(xiàn)聚變；歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應堆（JET）創(chuàng)造新的能量紀錄等。本文就聚變領域重要事件進行分析，以供參考。
一、難以實現(xiàn)的可控聚變
聚變技術與核電站所用的核裂變技術不同，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，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50年代就成功進行了氫彈試驗（不可控聚變），但至今仍未掌握可控聚變技術。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，但目前人類沒有任何材料可以承受如此溫度。對此，主流的聚變設施或是通過超強磁場約束超高溫等離子體，防止其接觸超強磁場容器（即磁約束）；或是在極短時間內，以高能量脈沖激光照射一個固態(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傳播造成內爆，壓迫內部的氘與氚形成高壓高溫，造成自發(fā)性的燃燒，并產生鏈式反應（即慣性約束）。美國LLNL和英國First Light Fusion公司的設施都利用了慣性約束聚變技術；全球多國參與的國際熱核聚變實驗堆（ITER）、歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應堆（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、美國麻省理工學院（MIT）和英聯(lián)邦聚變系統(tǒng)（CFS）開發(fā)的聚變反應堆原型（SPARC）則是磁約束聚變技術。我國的“人造太陽”HL-2M也利用了磁約束聚變技術。
（磁約束，圖片來源：國際原子能機構）
（慣性約束，圖片來源：LLNL）
二、聚變技術取得新突破，商業(yè)化進程加速
（一）LLNL實現(xiàn)“凈能量增益”
2022年12月13日，美國能源部宣布LLNL的國家點火裝置（NIF）于2022年12月5日的慣性約束聚變實驗中實現(xiàn)了“聚變能量增益”，實驗輸出能量（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“聚變增益系數(shù)Q值”大于1。而此前類似的實驗無法產生正能量增益，該實驗實現(xiàn)了“從0到1”的突破。在實驗中，LLNL將氘氚核材料做成一個直徑約1毫米的燃料球，將其放入環(huán)空器內，然后用192路高功率激光束同時打在環(huán)空器內壁上（激光束直接照射燃料球無法達到所需溫度），激發(fā)環(huán)空器內壁射出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)速度達到400公里/秒的內爆，誘發(fā)球內氘氚聚變。
（圖片來源：LLNL）
分析來看，LLNL雖然宣稱實現(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武器物理與設計副主任Mark Herrmann和美國能源部研究中心阿貢國家實驗室前主任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，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實現(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）技術首次成功實現(xiàn)聚變，英國原子能管理局獨立驗證了這一成果。彈丸聚變技術是一種新的慣性約束聚變技術，具有簡單、節(jié)能、物理風險低的特點。
（圖片來源：First Light Fusion）
具體而言，該公司使用兩級超高速氣槍向其開發(fā)的獨特靶材發(fā)射一枚重100克的射彈，射彈在撞擊含有聚變燃料的靶材前達到每秒6.5公里的速度，燃料被壓縮到1億個大氣壓，以實現(xiàn)聚變所需的溫度和密度。燃料在內爆時的速度達到每秒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室內流動的鋰吸收，熱交換器將鋰的熱量傳遞到水中，產生蒸汽，使渦輪機轉動并產生電力。根據(jù)First Light Fusion官網(wǎng)介紹，自2011年從牛津大學分離后，該公司實現(xiàn)聚變僅花費4500萬英鎊就成本實現(xiàn)了聚變，相比其他聚變技術發(fā)展速度更快。根據(jù)該公司的構想，在未來的彈丸聚變發(fā)電廠中，彈丸聚變過程每30秒就可重復一次，每個靶材釋放的能量可為一個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。該公司計劃在本世紀30年代建設一座功率15萬千瓦的試點聚變電廠，建設費用將低于10億美元。相關技術進展值得關注。
（圖片來源：First Light Fusion）
（三）日本京都聚變工程公司設計全球首個聚變電廠綜合測試設施
2022年7月6日，日本京都聚變工程公司（Kyoto Fusioneering）完成聚變電廠設備綜合測試設施的初步設計，已啟動設施建設，并計劃于2024年示范使用聚變相關技術發(fā)電。該設施名為“獨特的綜合測試設施”（UNITY），是世界上建設的首座此類設施。UNITY將通過工程模擬聚變動力核心內的熱和電磁環(huán)境，在不使用核反應的情況下對聚變發(fā)電廠中的一套能量轉換設備進行集成測試，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、氫氚泵和聚變燃料循環(huán)演示等。
（圖片來源：Kyoto Fusioneering）
分析來看，UNITY是全球首個將聚變反應堆技術作為一個綜合性系統(tǒng)進行測試的設施，具有開創(chuàng)性設計，可在一個設施中測試聚變電廠所需多個系統(tǒng)。這種先進的測試平臺將吸引聚變領域公司和人才，并幫助他們集中資源開發(fā)聚變核心技術，對聚變技術發(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)意義的聚變反應堆
美國聯(lián)邦聚變系統(tǒng)（Commonwealth Fusion Systems）公司（從麻省理工學院分離）和美國麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（PSFC）正在開發(fā)一個磁約束聚變反應堆原型SPARC。Commonwealth Fusion Systems表示，研究人員在材料、計算機建模和控制系統(tǒng)等領域取得了關鍵突破，有助于更深刻地理解高溫等離子體。SPARC的設計結合了既往聚變項目的經(jīng)驗，經(jīng)過同行評審Q>2，具有商業(yè)意義。
（圖片來源：Commonwealth Fusion Systems）
（五）歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應堆刷新紀錄
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）和國際熱核聚變實驗堆召開聯(lián)合新聞發(fā)布會稱，歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應堆（JET）在5秒內產生了能量輸出為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錄，同時刷新了世界紀錄。該實驗的意義在于證明燃料能夠以可持續(xù)的方式燃燒，同時，該實驗也為國際熱核聚變實驗堆項目提供了重要支持。
（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）設施——FuZE-Q創(chuàng)造了第一個等離子體。據(jù)悉，Z-箍縮的磁場來自陽極和陰極之間等離子體（或細金屬絲）攜帶的大電流，電流產生的磁場與電流自身正交，產生洛倫茲力壓強。設施啟動后，等離子體溫度密度較低，等離子體壓強比較弱，但電流很大，洛倫茲力壓強很強，等離子體將會向心箍縮。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，最終達到聚變反應條件。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。
（圖片來源：Zap Energy）
Z-箍縮聚變技術的難點在于設施部件如何設計以承受大電流（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”導致聚變過程中止等。Zap Energy公司利用流體力學中的剪切軸流穩(wěn)定技術（sheared-flow-stabilized），保持等離子體穩(wěn)定。在解決穩(wěn)定性難題后，預計Z-箍縮聚變技術將在近幾年取得新的突破。
三、總結
聚變技術作為當今人類面臨的最復雜的科學技術之一，蘊含著人類對于實現(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（Q=0.67）和慣性約束聚變技術尚未實現(xiàn)凈能量增益，但人類對該技術的探索愈發(fā)熱情。中國參與的國際熱核聚變實驗堆項目的第一階段目標就包括Q=10、脈沖維持大于400秒等，第二階段目標包括Q=5、脈沖維持大于3000秒等，將使人類距離可控聚變更進一步。2021年，中國全超導托卡馬克東方超環(huán)（EAST）裝置實現(xiàn)了等離子體在1.2億攝氏度下101秒運行、1.6億攝氏度下20秒運行，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秒運行，創(chuàng)下了世界紀錄；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行新紀錄。中國也設定磁約束聚變發(fā)展路線圖，確定了近期、中期和遠期技術目標，包括2021年至2035年建設、運行聚變工程實驗堆；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)濟性。未來，人類將更接近商用聚變技術，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 國務院發(fā)展研究中心國際技術經(jīng)濟研究所研究五室，三級分析員
研究方向：能源領域前沿技術研究跟蹤及產業(yè)、政策研究
聯(lián)系方式：1055791136@qq.com
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