买球网365(中国)官方网站入口人类终极能源可控核聚变的商业化大门已打开？丨黄金眼365买球官方网站
发布时间：2024-12-02 02:20:17点击：
作为未来能源唯一方向的可控核聚变，已迎来多个里程碑式突破，其商业化大门正在开启。
核能是一种非常高效的清洁能源，它是由物质元素的原子核发生改变而放出的能量，俗称核能。
核能与我们所熟悉的支持生命过程的化学能不同，它是原子的核内能量而不是核外能量，而参与生命物质转化的化学能都是核外能量，这些化学反应都不会引起原子核的变化。核变化所释放的能量主要分为两大类：（1）核裂变（nuclearfission），即重元素的原子核分裂为质量较轻元素的原子核时所释放的能量，称为核裂变能；（2）核聚变（nuclearfusion），即小质量元素的原子核聚合成为重核所释放的能量365买球官方网站，称为核聚变能。
其中核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变反应发生在一种叫作等离子体的物质状态中。等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体，具有不同于固体、液体和气体的独特性质。只要将氢的同位素氘和氚的原子核无限接近，使其发生聚变反应，就能释放出巨大能量。核裂变是从原子核分裂中获得能量，而核聚变则是通过将原子核结合而释放能量。虽然两种原子反应都是通过改变原子而产生能量，但它们的根本区别对安全却有广泛的影响。
核聚变产生的能量是核裂变的3-4倍，其副产品是惰性、无毒的氦气，不会影响环境安全。在燃料上，核聚变燃料之一的氘广泛地分布在海水中，1升海水中含的氘全部聚变反应所产生的能量与300升汽油完全燃烧所释放的能量相当，海水中氘的储量可供人类使用几十亿年。此外，核聚变反应需要在高温等离子体和外部磁场限制的环境下才可以进行，同时它可以在几秒钟内得到控制或停止，本质上是安全的。
聚变能具有燃料丰富、清洁、安全性高、能量密度大等突出优点，被视为终极能源。高层明确可控核聚变领域为未来能源的重要方向。
实现核聚变必须满足三个苛刻条件：一是足够高的温度（T），使燃料变成超过1亿摄氏度的等离子体；二是一定的密度（n），这样两原子核发生碰撞的概率就大；三是一定的能量约束时间（TE），等离子体在有限的空间里被约束足够长时间；三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值，才能产生有效的聚变功率输出。
目前，实现核聚变反应主要有引力约束、磁约束、激光惯性约束3种方式。太阳因质量大，可通过巨大引力，在极端高温高压的环境下发生引力约束核聚变反应。而在地球上，实现可控核聚变主要有磁约束核聚变和激光惯性约束核聚变两种方式。激光惯性约束核聚变是采用激光作为驱动器压缩氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等离子体的惯性约束时间内实现核聚变点火燃烧。采用强磁场约束等离子体的方法把核聚变反应物质控制在“磁笼子”里面，就是磁约束核聚变。
由于惯性约束难以实现持续的聚变功率输出，因此磁约束核聚变是实现聚变能开发的有效途径。磁约束核聚变常用的实现方式是托卡马克和仿星器。托卡马克装置已经较为成熟，自20世纪60年代，目前建造了200多台功能性的托卡马克装置。
所有托卡马克的终极目标是将氘氚聚变原料加热到点火点或更高的温度，并加以控制地持续尽可能长的反应时间，以追求连续的聚变能量输出。即使采用导电性良好的铜作为导体绕制线圈，由于电流巨大线圈不可避免地存在发热问题，从而限制了磁约束核聚变的长时间稳态运行。由于超导体具有零电阻效应，且承载电流密度更高有利于建造更加紧凑、更高场强的聚变装置，能够有效改善长脉冲稳态运行，20世纪后期，科学家们开始把超导技术用于托卡马克装置。为了解决常规托卡马克的瓶颈，超导技术便被引入到了托卡马克建设中。
近年来，高温超导强场磁体技术的突破形成了新的紧凑型聚变堆技术路线，不仅成本大大降低，更使研发周期大幅缩短。麻省理工学院（MIT）将紧凑型聚变堆评为2022年度十大突破性技术之一。市场资本的快速进入进一步加速了可控核聚变商业化项目进程，也强势带动了高温超导强场磁体的市场需求。国际上代表性的有美国麻省理工学院的高温超导紧凑型托卡马克SPARC装置和英国卡拉姆聚变能源中心负责的STEP装置，目前均处于概念设计阶段。国内多家民营企业，如新奥集团、星环聚能、能量奇点等均开展了相关研究。
全球进展方面，2021年9月美国CFS公司使用高温超导带材绕制大口径、20T的强磁场磁体，将应用于SPARC、ARC超导核聚变等，第一阶段磁体已于2021年9月宣布测试成功。
2023年10月美国国家点火装置（NIF）成功“点火”两次，即实现可控核聚变净能量增益，让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量365买球官方网站。至此美国科学家成功将点火次数增至四次。这些点火实验中，NIF不仅实现了净能量增益，效率与精度也在不断提高。最新的一次实验再刷记录——输入能量首次达到2.2兆焦，3.4兆焦耳的输出能量也位列历次点火实验第二。NIF向实现数十兆焦耳甚至更高产能的目标，又迈进了一步。
前不久，采用超导路线的世界上最新、规模最大的核聚变反应堆——JT-60SA成功点火，成为实用核聚变能源漫长发展进程中的一个里程碑。随着高温超导技术不断成熟，工业应用开始落地。基于高温超导材料的强磁场小型化托卡马克技术路线有望大幅降低聚变装置成本，建设期有望缩短到3至4年，大幅缩短技术迭代周期，也使聚变发电初步具备了商业化潜力。
EAST（即“东方超环”）是我国自行设计研制的世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置，它同时具有上亿温度的“超高温”、零下269度的“超低温”、“超大电流”、“超强磁场”、“超高真空”等极限条件，项目难度非常大，它的成功建设和运行是中国可控核聚变研究的里程碑式突破。
2021年5月28日，EAST装置实现了可重复的1.2亿度101s等离子体运行和1.6亿度20s等离子体运行。2021年6月8日，EAST装置总放电实验次数突破10万次。2021年12月30日晚，实现1056s的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
2023年4月12日21时，一项新的世界纪录诞生——正在运行的世界首个全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，刷新了2017年托卡马克装置高约束模式运行101秒的纪录。EAST装置创造的多项托卡马克运行的世界纪录，标志着中国在磁约束聚变研究领域引领国际前沿，也为中国自主建造聚变工程实验堆提供了坚实的科学技术基础。
中国聚变工程试验堆（CFETR）是中国自主开发和设计的下一代聚变装置，旨在弥补ITER和未来聚变堆之间的差距，已进行了数轮总体工程设计。
2023年12月29日，以“核力启航聚变未来”为主题的可控核聚变未来产业推进会在蓉召开。由25家央企、科研院所、高校等组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立。
根据FIA数据，2022年全球私营核聚变公司获得超过48亿美元的投资，比2021年增长139%，私人投资对核聚变的投资额首次超过政府资助。2023年，全球私营聚变公司获得的投资额从48亿美元增加至62亿美元。新增资金包括美国TAE技术公司2.5亿美元、中国新奥科技发展公司2亿美元、日本京都聚变技术公司7900万美元、中国能源奇点公司5500万美元等。
混合堆相当于热核聚变中子源与次临界裂变堆结合，相比于纯聚变堆，混合堆大幅降低堆芯等离子体性能及第一壁材料要求;相比裂变堆，混合堆铀资源利用率高，且燃料增殖能力强于快堆、乏燃料嬗变优势显著、建造成本低于快堆，是实现闭式燃料循环、解决千年能源需求最具前景的方案。国内聚变-裂变混合实验堆Q值大于30，实现连续发电功率100MW，总投资超200亿元，即将进入建设阶段。
超导磁体在托卡马克装置成本占比近一半，可控核聚变商用化推进带动超导磁体需求增加，市场空间较大。
其中成立于2003年的西部超导，成立之初以ITER用低温超导线材产业化为主要业务。目前形成了高端钛合金材料、超导产品和高性能高温合金材料三大主业。其中，超导产品经历ITER项目交付完结（2019年）以及向MRI、MCZ、CFETR等领域的拓展。核聚变领域，公司突破了CRAFT项目用Nb3Sn超导线材批产稳定性控制技术；开发新一代高性能电流密度Nb3Sn线材并实现量产，为核聚变新项目BEST提供高指标的产品；已开始向CFETR项目供货。
联创光电超导感应加热设备市场化进程取得较为显著的突破，联合中铝东轻共同举办了世界首台高温超导感应加热装置投产仪式，在首台成功投产设备的示范效果下，联创超导设备订单快速增长，截至2023年6月30日，在手订单已超过60台，在推进感应加热设备标准化的同时，有序排产，已成功交付6台设备。
根据联创超导业务发展战略规划，不断加深技术研发，开拓高温超导新的应用场景，与硅单晶生长炉设备厂商合作，将高温超导磁体技术应用于新型光伏级（N型电池）及半导体级磁控硅单晶生长炉领域。
永鼎股份全资子公司东部超导科技（苏州）有限公司是永鼎超导应用产业化基地，总投资约10亿元人民币，主要从事超导电缆、超导磁体、超导限流器、超导电机的产业化发展以及超导变压器、全超导电力系统集成（超导变电站）的研发和推广。
公司子公司苏州新材料研究所有限公司是国内第二代高温超导企业，专业研发新型高温超导（HTS）千米长带材，发展新型高温超导材料应用技术，实现HTS带材的产业化及相关应用技术的研究开发。目前产品主要应用于推进电机、风力发电机、直线电机、磁悬浮、高场磁体NMR、磁选机、超导故障电流限流器等电力、交通、医疗、工业、科研装备。
精达股份为上海超导科技股份有限公司第一大股东。上海超导从事第二代高温超导带材研发、应用及销售，产品广泛应用于超导电力、超导节能、可控核聚变、高速磁悬浮交通、高场磁体等一系列新兴产业，第二代高温超导带材整体达到国际同类产品的先进水平。公司为美国CFS公司、英国TE公司的可控核聚变项目供应高性能高温超导带材，用于强场磁体研制及超导可控核聚变。
爱科赛博参与了兰州重离子加速器、中国散裂中子源、全超导托卡马克核聚变实验装置、国家同步辐射实验室等国家重大科研基础设施建设项目，提供电源装备或电源系统交钥匙工程总包。
国光电气生产的偏滤器和包层系统是国际热核聚变实验堆计划（ITER）项目的关键部件，主要包括：（1）偏滤器：托卡马克装置的关键组成部分，是等离子体与器壁相互作用的主要区域，直接影响托卡马克装置的寿命。（2）ITER包层屏蔽模块的高温氦检漏设备：模拟国际热核聚变试验堆运行状态下的密封性检测，检测设备要求非常高。（3）ITER包层第一壁板（FW）：ITER的核心部件，目前，公司参与研制的FW已经完成样件制造，进入工艺的验证阶段。（4）ITER工艺设备：大规模核聚变反应的超导托卡马克装置是庞大而复杂的装置，涉及大量不同的制造工艺。公司研制出了各种制造及验证装置，用于ITER相关的试验、测量及生产工艺之中。
安泰科技以先进金属材料及关键部件为核心主业，致为我国“人造太阳”EAST大科学工程装置、国际热核聚变实验堆ITER项目提供偏滤器全钨复合部件、钨铜复合部件等核心产品。
炬光科技半导体激光元器件中的开放式器件为国家惯性约束可控核聚变项目的重要元件，作为固体激光器的泵浦源，为惯性（激光）约束核聚变提供点火光源。
百利电气下属控股子公司北京英纳超导技术有限公司是国内较早成立的专业研发高温超导材料的企业，主要从事铋系高温超导线材的研发生产，获得多项高温超导线材制备及高温超导应用领域的核心技术授权专利。公司控股子公司辽宁荣信兴业电力技术有限公司曾为国际热核聚变实验堆（ITER）计划提供电力无功补偿设备，其主导产品包括高压动态无功补偿装置（SVC）、高压静止无功发生器（SVG）等。
旭光电子在2023年上半年，突破了核聚变能源“长脉冲高功率四极管方案设计及关键工艺研究和整管制备”技术壁垒，完成了DB967中期样管制备及DB968中期样管整机测试工作，项目整体进度优于预期，加速可控核聚变能源化利用进程。
此外还有膨胀节系统环节的航天晨光、集团是可控核聚变创新联合体参与方的东方电气，以及集团是可控核聚变创新联合体参与方的国机重装。