技经观察丨能源危机下蓬勃发展的聚变技术

　　2021年以来，全球爆发两轮能源危机。其一是2021年下半年因经济加速复苏，但供给受限，叠加极端天气等因素导致的全球能源危机。其二是2022年俄乌冲突爆发后，美西方国家不断加码制裁，俄罗斯将能源作为反制裁＂武器＂，全球能源市场剧烈震荡，引爆第二轮全球能源危机。在此背景下，清洁、稳定、高效的能源备受关注。聚变技术具有来源丰富、释放能量大等优势，被认为是解决人类能源短缺问题的终极方案。2022年，聚变领域取得多个突破性进展，引起全球关注：美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）首次成功在聚变反应中实现＂净能量增益＂，实现了突破性进展；英国First Light Fusion公司利用弹丸聚变技术首次成功实现聚变；欧洲联合环状反应堆（JET）创造新的能量纪录等。本文就聚变领域重要事件进行分析，以供参考。
　　一、难以实现的可控聚变
　　聚变技术与核电站所用的核裂变技术不同，它是由较轻的原子核聚变成较重的原子核，一般用氢的同位素氘或者氚聚变来释放能量。同时，氘是大海中普遍存在的元素，含量约占海水总量的十万分之三。人类20世纪50年代就成功进行了氢弹试验（不可控聚变），但至今仍未掌握可控聚变技术。聚变需要在超高温和高压环境下，让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用。由于无法达到聚变所需的巨大压力，通过将温度提高到上亿摄氏度才能触发反应，但目前人类没有任何材料可以承受如此温度。对此，主流的聚变设施或是通过超强磁场约束超高温等离子体，防止其接触超强磁场容器（即磁约束）；或是在极短时间内，以高能量脉冲激光照射一个固态球状核燃料，将燃料球外层加热至等离子体化，外层爆裂所出现的反作用力形成震波向内传播造成内爆，压迫内部的氘与氚形成高压高温，造成自发性的燃烧，并产生链式反应（即惯性约束）。美国LLNL和英国First Light Fusion公司的设施都利用了惯性约束聚变技术；全球多国参与的国际热核聚变实验堆（ITER）、欧洲联合环状反应堆（JET）、英国托卡马克能源公司的新型球形托卡马克原型装置ST80-HTS、美国麻省理工学院（MIT）和英联邦聚变系统（CFS）开发的聚变反应堆原型（SPARC）则是磁约束聚变技术。我国的＂人造太阳＂HL-2M也利用了磁约束聚变技术。
　　（磁约束，图片来源：国际原子能机构）
　　（惯性约束，图片来源：LLNL）
　　二、聚变技术取得新突破，商业化进程加速
　　（一）LLNL实现＂净能量增益＂
　　2022年12月13日，美国能源部宣布LLNL的国家点火装置（NIF）于2022年12月5日的惯性约束聚变实验中实现了＂聚变能量增益＂，实验输出能量（3.15兆焦耳）大于激光输入能量（2.05兆焦耳），能量输出与能量输入之比＂聚变增益系数Q值＂大于1。而此前类似的实验无法产生正能量增益，该实验实现了＂从0到1＂的突破。在实验中，LLNL将氘氚核材料做成一个直径约1毫米的燃料球，将其放入环空器内，然后用192路高功率激光束同时打在环空器内壁上（激光束直接照射燃料球无法达到所需温度），激发环空器内壁射出X射线，这些X射线把燃料球瞬间加热到300万摄氏度，引发速度达到400公里/秒的内爆，诱发球内氘氚聚变。
　　（图片来源：LLNL）
　　分析来看，LLNL虽然宣称实现了＂净能量增益＂，但其激光输入能量指的是激光束向燃料球传输的能量，但从全套装置来看，从电能转化激光束能量则消耗了322兆焦的能量。因此，NIF距离真正意义上的净能量增益还有很长的路要走。根据LLNL主任Kim Budil、LLNL武器物理与设计副主任Mark Herrmann和美国能源部研究中心阿贡国家实验室前主任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温和高压效应，为核武器研究提供支持，而非接入电网。
　　（二）英国First Light Fusion公司利用弹丸聚变技术实现聚变
　　2022年4月5日，英国First Light Fusion公司宣布利用弹丸聚变（Projectile Fusion）技术首次成功实现聚变，英国原子能管理局独立验证了这一成果。弹丸聚变技术是一种新的惯性约束聚变技术，具有简单、节能、物理风险低的特点。
　　（图片来源：First Light Fusion）
　　具体而言，该公司使用两级超高速气枪向其开发的独特靶材发射一枚重100克的射弹，射弹在撞击含有聚变燃料的靶材前达到每秒6.5公里的速度，燃料被压缩到1亿个大气压，以实现聚变所需的温度和密度。燃料在内爆时的速度达到每秒70公里以上，从而诱发聚变。靶材释放出的聚变能量脉冲被反应室内流动的锂吸收，热交换器将锂的热量传递到水中，产生蒸汽，使涡轮机转动并产生电力。根据First Light Fusion官网介绍，自2011年从牛津大学分离后，该公司实现聚变仅花费4500万英镑就成本实现了聚变，相比其他聚变技术发展速度更快。根据该公司的构想，在未来的弹丸聚变发电厂中，弹丸聚变过程每30秒就可重复一次，每个靶材释放的能量可为一个普通英国家庭供电超过2年，发电成本也将低于50美元/兆瓦，可与其他可再生能源在成本上竞争。该公司计划在本世纪30年代建设一座功率15万千瓦的试点聚变电厂，建设费用将低于10亿美元。相关技术进展值得关注。
　　（图片来源：First Light Fusion）
　　（三）日本京都聚变工程公司设计全球首个聚变电厂综合测试设施
　　2022年7月6日，日本京都聚变工程公司（Kyoto Fusioneering）完成聚变电厂设备综合测试设施的初步设计，已启动设施建设，并计划于2024年示范使用聚变相关技术发电。该设施名为＂独特的综合测试设施＂（UNITY），是世界上建设的首座此类设施。UNITY将通过工程模拟聚变动力核心内的热和电磁环境，在不使用核反应的情况下对聚变发电厂中的一套能量转换设备进行集成测试，此外，UNITY还配备了氚回收系统、测试毯模块、液态金属和熔盐的主要冷却回路、热交换器等，可以模拟等离子加热、等离子排气、氢氚泵和聚变燃料循环演示等。
　　（图片来源：Kyoto Fusioneering）
　　分析来看，UNITY是全球首个将聚变反应堆技术作为一个综合性系统进行测试的设施，具有开创性设计，可在一个设施中测试聚变电厂所需多个系统。这种先进的测试平台将吸引聚变领域公司和人才，并帮助他们集中资源开发聚变核心技术，对聚变技术发展有积极意义。
　　（四）美国联邦聚变系统公司开发具有商业意义的聚变反应堆
　　美国联邦聚变系统（Commonwealth Fusion Systems）公司（从麻省理工学院分离）和美国麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）正在开发一个磁约束聚变反应堆原型SPARC。Commonwealth Fusion Systems表示，研究人员在材料、计算机建模和控制系统等领域取得了关键突破，有助于更深刻地理解高温等离子体。SPARC的设计结合了既往聚变项目的经验，经过同行评审Q>2，具有商业意义。
　　（图片来源：Commonwealth Fusion Systems）
　　（五）欧洲联合环状反应堆刷新纪录
　　2022年2月9日，欧洲核聚变研发创新联盟（EURO fusion）、英国原子能管理局（UKAEA）和国际热核聚变实验堆召开联合新闻发布会称，欧洲联合环状反应堆（JET）在5秒内产生了能量输出为59兆焦耳的稳定等离子体，打破了该装置在1997年创下的22兆焦耳核聚变能量的纪录，同时刷新了世界纪录。该实验的意义在于证明燃料能够以可持续的方式燃烧，同时，该实验也为国际热核聚变实验堆项目提供了重要支持。
　　（图片来源：EURO fusion）
　　（六）美国Zap Energy公司的Z箍缩聚变技术取得突破
　　2022年6月22日，美国Zap Energy公司宣布其第四代Z箍缩（Z-pinch）设施——FuZE-Q创造了第一个等离子体。据悉，Z-箍缩的磁场来自阳极和阴极之间等离子体（或细金属丝）携带的大电流，电流产生的磁场与电流自身正交，产生洛伦兹力压强。设施启动后，等离子体温度密度较低，等离子体压强比较弱，但电流很大，洛伦兹力压强很强，等离子体将会向心箍缩。随着等离子体体积的大幅缩小，等离子体的温度和密度迅速升高，最终达到聚变反应条件。虽然磁场深度参与了Z-箍缩过程，但Z-箍缩过程与激光聚变类似，一般将其归为惯性约束聚变技术。
　　（图片来源：Zap Energy）
　　Z-箍缩聚变技术的难点在于设施部件如何设计以承受大电流（500千安培），以及等离子体＂隆起不稳定性＂和＂扭曲不稳定性＂导致聚变过程中止等。Zap Energy公司利用流体力学中的剪切轴流稳定技术（sheared-flow-stabilized），保持等离子体稳定。在解决稳定性难题后，预计Z-箍缩聚变技术将在近几年取得新的突破。
　　三、总结
　　聚变技术作为当今人类面临的最复杂的科学技术之一，蕴含着人类对于实现清洁、稳定、取之不竭的能源的美好向往。虽然目前磁约束聚变技术（Q=0.67）和惯性约束聚变技术尚未实现净能量增益，但人类对该技术的探索愈发热情。中国参与的国际热核聚变实验堆项目的第一阶段目标就包括Q=10、脉冲维持大于400秒等，第二阶段目标包括Q=5、脉冲维持大于3000秒等，将使人类距离可控聚变更进一步。2021年，中国全超导托卡马克东方超环（EAST）装置实现了等离子体在1.2亿摄氏度下101秒运行、1.6亿摄氏度下20秒运行，以及电子温度近7000万摄氏度下的长脉冲高参数等离子体1056秒运行，创下了世界纪录；2022年，中国新一代＂人造太阳＂托卡马克装置（HL-2M）等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了中国可控聚变装置运行新纪录。中国也设定磁约束聚变发展路线图，确定了近期、中期和远期技术目标，包括2021年至2035年建设、运行聚变工程实验堆；2035年至2050年发展聚变电站，探索聚变商用电站的工程、安全、经济性。未来，人类将更接近商用聚变技术，也将享受它为世界带来的清洁、稳定、丰富能源。
　　（图片来源：中国工程院）
　　作者简介
　　张宇麒国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室，三级分析员
　　研究方向：能源领域前沿技术研究跟踪及产业、政策研究
　　联系方式：1055791136@qq.com
　　编辑丨郑实
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