美擬加速推進(jìn)聚變能商業(yè)化進(jìn)程

2022 年3 月17 日，美國白宮科技政策辦公室和能源部在白宮聯(lián)合舉辦首屆聚變峰會，召集來自政府、行業(yè)、學(xué)術(shù)界和其他利益相關(guān)方的領(lǐng)導(dǎo)人，共同探討聚變能技術(shù)發(fā)展前景及其面臨的挑戰(zhàn)。美國政府在此次峰會上宣布，將領(lǐng)導(dǎo)相關(guān)各方制訂未來十年商業(yè)聚變能發(fā)展戰(zhàn)略，目標(biāo)是加速聚變能這一清潔能源技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)程。

聚變能被視為終極能源，能夠幫助人類擺脫對化石燃料的依賴、進(jìn)入全新的能源時代。但實現(xiàn)聚變能的商業(yè)化應(yīng)用需要解決大量技術(shù)和工程難題，被美國國家工程院評為人類在21世紀(jì)面臨的14大科技挑戰(zhàn)之一。近年來，受益于長期研究的積累及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，聚變能技術(shù)在全球范圍內(nèi)迎來一波研發(fā)熱潮。除了美國、英國、法國等國政府資助的研究項目，全球30多家私營企業(yè)正在開展聚變能技術(shù)研發(fā)，提出了多種有助于實現(xiàn)聚變反應(yīng)堆小型化的受控聚變新方案，并積極推進(jìn)多座聚變示范設(shè)施的建設(shè)，2021年在聚變能技術(shù)開發(fā)方面的投資超過25億美元。許多公司認(rèn)為，在20世紀(jì)30年代實現(xiàn)聚變能商業(yè)應(yīng)用是一個可以實現(xiàn)的目標(biāo)。在這一背景下，美國政府認(rèn)為，現(xiàn)在是時候加速推進(jìn)商業(yè)聚變能研發(fā)。

1 美國聚變能研發(fā)現(xiàn)狀

美國政府和私營企業(yè)近年來均在積極開展聚變能技術(shù)研發(fā)，并已取得大量研究成果。

1.1 能源部

能源部一直在其科學(xué)辦公室“聚變能科學(xué)計劃”下切實支持聚變能技術(shù)研發(fā)。該計劃是美國聚變能研究的最大國家資金來源，2021—2023財年的經(jīng)費(fèi)或預(yù)算申請額分別為6.72 億美元、7.13 億美元和7.23 億美元?？茖W(xué)辦公室在該計劃下管理著兩座大型聚變能研究設(shè)施，即DIII-D國家聚變設(shè)施(DIII-D)和國家球形托卡馬克實驗升級設(shè)施（NSTX-U），可供國內(nèi)外研究人員開展聚變能研究。

DIII-D位于加利福尼亞州圣地亞哥，由通用原子能公司運(yùn)營，1986年投運(yùn)，是美國最大的磁約束聚變能研究裝置，大半徑1.7 米，小半徑0.6米，最大等離子體電流2 兆安培，最大環(huán)形磁場強(qiáng)度2.17 特斯拉，能夠產(chǎn)生各種形狀的等離子體，并擁有50多種診斷系統(tǒng)，主要用于開展托卡馬克磁約束基礎(chǔ)研究。目前有100 多家研究機(jī)構(gòu)的約600 名研究人員在使用DIII-D 開展聚變能研究。

NSTX-U位于新澤西州普林斯頓，2016年投運(yùn)，由普林斯頓等離子體物理實驗室運(yùn)營，是全球功率最大的球形托卡馬克研究裝置，大半徑0.93 米、環(huán)徑比1.5，最大磁場強(qiáng)度1 特斯拉，最大等離子體電流2 兆安培，最大脈沖持續(xù)時間5秒。

能源部國家核軍工管理局管理的國家點火裝置（NIF）是當(dāng)今世界上最大和最復(fù)雜的慣性約束聚變能研究裝置。NIF 長約200 米，寬約85米，主要由兩部分——即192路高能量激光系統(tǒng)和直徑10 米、重約450 噸的靶室——組成，2021年8 月在實驗過程中獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的1.35 兆焦能量，比2020 年的最高能量提高24 倍，接近“點火”所需的1.9 兆焦能量，向成功“點火”邁進(jìn)一大步。

能源部在此次峰會上宣布將開展兩項支持聚變能發(fā)展的行動。一是啟動一項倡議，目標(biāo)是匯集國家核軍工管理局、科學(xué)辦公室、核能辦公室、高級能源研究計劃署等能源部內(nèi)部相關(guān)機(jī)構(gòu)的力量，與私營企業(yè)合作加速推進(jìn)聚變能商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。高級能源研究計劃署聚變項目負(fù)責(zé)人斯科特·舒將擔(dān)任能源部首席聚變能協(xié)調(diào)員，負(fù)責(zé)推進(jìn)相關(guān)工作的開展，并直接向主管科學(xué)和創(chuàng)新的能源部副部長匯報工作。二是為聚變能科學(xué)研究提供5000 萬美元資助：2000 萬美元用于支持球形托卡馬克研究，目的是加強(qiáng)對等離子體的模擬和科學(xué)理解；3000 萬美元用于支持旨在延長燃燒等離子體持續(xù)時間的研究。

1.2 私營企業(yè)

美國有20多家私營企業(yè)正在大力開展商業(yè)聚變能研發(fā)。多家企業(yè)正在穩(wěn)步推進(jìn)聚變能示范設(shè)施建設(shè)，并于近期公布具有里程碑意義的研發(fā)成果。

1.2.1 TAE技術(shù)公司

TAE技術(shù)公司2021年4月宣布，其第五臺等離子體發(fā)生器“諾曼”（詳見圖1）已產(chǎn)生超過5000萬℃的穩(wěn)定等離子體溫度。

圖1 TAE技術(shù)公司等離子體發(fā)生器“諾曼”外形

與通常以氘和氚為燃料的其他聚變能研究不同，TAE 技術(shù)公司擬使用的聚變?nèi)剂鲜菤浜团?。氫硼聚變反?yīng)不會釋放中子，而是僅產(chǎn)生三個α 粒子和X 射線。在整個反應(yīng)過程中，燃料和產(chǎn)物均不含放射性物質(zhì)，因此氫硼聚變被認(rèn)為是最清潔的聚變能方式之一。但氫硼聚變的實現(xiàn)難度較大，因為其要求等離子體溫度達(dá)到30 億℃，是氘氚聚變反應(yīng)的20 多倍。

TAE 技術(shù)公司的聚變能技術(shù)綜合利用了先進(jìn)加速器技術(shù)和等離子體物理學(xué)研究成果，其聚變平臺是一個水平放置的圓柱體，周圍環(huán)繞著圓形磁鐵及其他輔助設(shè)備。其實現(xiàn)聚變反應(yīng)的過程為：首先在圓柱體兩端生成場反向位形（FRC）等離子體；然后使等離子體從兩端高速向圓柱體中央移動，并在中央靶室碰撞融合，實現(xiàn)聚變點火。TAE技術(shù)公司計劃最終實現(xiàn)氫硼聚變，但在達(dá)到足夠的溫度之前，將開展氘氚聚變研究。這種方案結(jié)構(gòu)緊湊，能源效率高，能夠用于建設(shè)20萬～50萬千瓦且經(jīng)濟(jì)性可媲美其他電廠的商業(yè)基荷電廠。

為在21世紀(jì)30年代初實現(xiàn)聚變能的商業(yè)化應(yīng)用，TAE技術(shù)公司計劃未來建設(shè)兩座設(shè)施。一座是該公司的第六座等離子體發(fā)生器“哥白尼”。該設(shè)施將在超過1 億℃的工況下運(yùn)行，模擬傳統(tǒng)氘氚燃料循環(huán)的凈能量生產(chǎn)，幫助TAE技術(shù)公司獲得將其技術(shù)用于氘氚聚變的許可，并推進(jìn)氫硼聚變這一最終目標(biāo)的實現(xiàn)。預(yù)計“哥白尼”將于2025 年投運(yùn)。另一座是名為“達(dá)芬奇”的全球首座氫硼聚變能原型電廠。該電廠將于2030年并網(wǎng)發(fā)電。

1.2.2 Helion能源公司

Helion能源公司2021年6月宣布，其第六臺原型聚變發(fā)生器“特倫塔”已實現(xiàn)超過1 億℃的等離子體溫度，該公司因此成為全球首家實現(xiàn)這一里程碑的私營聚變能研究企業(yè)。

Helion 能源公司正在開展以氘和氦-3 為燃料的脈沖非點火聚變能技術(shù)研發(fā)，并為此開發(fā)了一種名為“等離子體加速器”的裝置（詳見圖2）。其聚變能發(fā)電過程共分為五步：第一，在裝置兩端分別將氘和氦-3加熱到極高溫度，形成等離子體，并使用FRC 磁場約束等離子體；第二，在磁場驅(qū)動下，兩端的等離子體以每小時160萬千米的速度向裝置中央移動，在中央位置發(fā)生猛烈碰撞；第三，當(dāng)碰撞發(fā)生時，使用強(qiáng)大的磁場對等離子體進(jìn)行進(jìn)一步壓縮，直至達(dá)到引發(fā)聚變反應(yīng)所需的高溫1億℃；第四，氘和氦-3在高溫下發(fā)生聚變反應(yīng)，釋放大量聚變能，等離子體此時會在磁場約束下沿著軸向膨脹；第五，沿軸向設(shè)置的磁流體發(fā)電機(jī)利用霍爾效應(yīng)，將高溫等離子體的動能轉(zhuǎn)化為電能，同時完成反應(yīng)產(chǎn)物的冷卻，冷卻完畢的反應(yīng)產(chǎn)物從兩端排出，并再開始下一輪循環(huán)。該技術(shù)相對于其他聚變能技術(shù)有兩點優(yōu)勢：一是使用氘和氦-3 作為燃料，聚變反應(yīng)的產(chǎn)物中無中子，放射性小，反應(yīng)過程易于控制，有助于進(jìn)一步降低聚變裝置體積率；二是這一系統(tǒng)可以直接生產(chǎn)電力，能提高能源效率，而其他聚變系統(tǒng)需要將水加熱成蒸汽，然后使用蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電，這一過程會造成大量能量損失。

圖2 Helion能源公司“等離子體加速器”外形

Helion 能源公司2021 年7 月在華盛頓州埃弗雷特正式啟動其第七臺原型聚變發(fā)生器“北極星”的建設(shè)。該設(shè)施將于2022 年初建成，并于2024年實現(xiàn)聚變反應(yīng)的能量凈輸出。

1.2.3 聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司和麻省理工學(xué)院

聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司和麻省理工學(xué)院2021年9 月聯(lián)合宣布，歷經(jīng)三年的努力，研究團(tuán)隊于當(dāng)月首次將大型高溫超導(dǎo)電磁體磁場強(qiáng)度提升至20特斯拉，這是全球同類磁體創(chuàng)造的最強(qiáng)磁場，為建設(shè)強(qiáng)磁場托卡馬克聚變能示范電廠奠定了基礎(chǔ)。

兩家機(jī)構(gòu)正在開展強(qiáng)磁場托卡馬克聚變能技術(shù)研究。托卡馬克核聚變裝置的中央是一個環(huán)形真空室，外面纏繞著線圈，通電時裝置內(nèi)部會產(chǎn)生很強(qiáng)的螺旋型磁場，用于約束等離子體。一般而言，托卡馬克裝置聚變功率與磁場強(qiáng)度的四次方成正比，即磁場強(qiáng)度增加1 倍，聚變功率可提升16倍。因此，對于某一聚變裝置，提高磁場強(qiáng)度可以大幅提高裝置功率；如果要建設(shè)某一功率的聚變裝置，提高磁場強(qiáng)度能夠大幅縮小聚變裝置的規(guī)模。

兩家機(jī)構(gòu)正在合作建設(shè)名為SPACE的首座聚變示范電廠。SPACE是一座緊湊的強(qiáng)磁場聚變示范裝置，其大小相當(dāng)于一座現(xiàn)有的中等規(guī)模聚變裝置，大半徑為1.65 米，小半徑為0.5 米，環(huán)形磁場強(qiáng)度為12 特斯拉，等離子體電流強(qiáng)度為7.5 兆安培，聚變功率為5 萬～10 萬千瓦。預(yù)計SPACE 將于2025 年實現(xiàn)聚變反應(yīng)的能量凈輸出。兩家機(jī)構(gòu)還計劃于21世紀(jì)30年代初建成首座聚變電廠。

2 其他國家聚變能研發(fā)進(jìn)展

英國、法國、加拿大和澳大利亞等國政府和企業(yè)也在大力推進(jìn)聚變能研究，多家企業(yè)近期宣布取得重大進(jìn)展。

2.1 英國

英國政府和相關(guān)私營企業(yè)正在穩(wěn)步推進(jìn)聚變能研發(fā)。商業(yè)、能源和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部2021 年10月發(fā)布《英國聚變能發(fā)展戰(zhàn)略》報告，為英國實現(xiàn)聚變能商業(yè)化應(yīng)用指明方向，并設(shè)定兩個具體目標(biāo)：一是建成“用于能源生產(chǎn)的球形托卡馬克”（STEP）原型聚變電廠，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，以驗證聚變能發(fā)電的商業(yè)可行性；二是建立英國聚變產(chǎn)業(yè)集群，未來實現(xiàn)聚變能技術(shù)出口?？ɡ漳肪圩兡苤行暮蛢杉宜綘I企業(yè)（即托卡馬克能源公司和第一光聚變公司）近期也宣布其聚變能研究取得重要成果。

2.1.1 STEP原型電廠

STEP 建設(shè)計劃是英國當(dāng)前最重要的聚變能國家計劃，主要由英國原子能管理局負(fù)責(zé)，2019 年啟動，目標(biāo)是2040 年前建成一座原型聚變電廠。

STEP 將采用球型托卡馬克設(shè)計，其建設(shè)計劃將分為三個階段：第一階段是到2024 年完成概念設(shè)計，包括電廠的大致規(guī)模及主要系統(tǒng)設(shè)計；第二階段將進(jìn)行工程設(shè)計及技術(shù)研發(fā)，并取得啟動建設(shè)所需的所有審批許可；第三階段將正式開始原型電廠建設(shè)。目前尚處于第一階段，即開展概念設(shè)計和選址工作。英國政府迄今已明確五個候選廠址，預(yù)計2022 年12 月選定最終廠址。

2.1.2 卡勒姆聚變能中心

英國卡勒姆聚變能中心2022年2月宣布，歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）在近期實驗中創(chuàng)造了新的聚變能產(chǎn)生紀(jì)錄，在5秒（聚變實驗的持續(xù)時間）內(nèi)產(chǎn)生59 兆焦能量，證明了聚變能在提供安全且可持續(xù)低碳能源方面的潛力。之前的紀(jì)錄是歐洲聯(lián)合環(huán)于1997年創(chuàng)造的22兆焦。此次實驗期間的平均聚變功率約為1.1萬千瓦，未超過1997年創(chuàng)造的1.6萬千瓦功率紀(jì)錄。

歐洲聯(lián)合環(huán)位于牛津郡卡勒姆聚變能中心，1983年投運(yùn)，是目前全球規(guī)模最大、功率最強(qiáng)的在運(yùn)托卡馬克研究裝置，大半徑3 米，小半徑1.25 米，最大等離子體電流7 兆安培，最大環(huán)形磁場強(qiáng)度3.5特斯拉。

2.1.3 托卡馬克能源公司

托卡馬克能源公司2022年3月宣布，其原型聚變堆ST40已實現(xiàn)1億℃的等離子體溫度。這是太陽中心溫度的7倍，并且是實現(xiàn)受控核聚變必須達(dá)到的溫度。這是球形托卡馬克裝置首次達(dá)到這一重要里程碑。

托卡馬克能源公司正在開展帶有高溫超導(dǎo)磁體的球形托卡馬克研究，ST40 是該公司建成的第二座研究裝置。該公司正在建設(shè)一座帶有整套磁體的測試和示范系統(tǒng)，未來將能夠測試所有高溫超導(dǎo)磁體的相互作用，并能夠首次示范這些磁體在托卡馬克系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)擬于2022年建成投運(yùn)。該公司的目標(biāo)是在21世紀(jì)30年代初完成聚變能技術(shù)的示范。

2.1.4 第一光聚變公司

第一光聚變公司2022 年4 月宣布，彈丸聚變能研究設(shè)施近期首次實現(xiàn)了聚變反應(yīng)，并且這一結(jié)果已得到英國原子能管理局的獨立核實。

彈丸聚變是一種新型慣性聚變能技術(shù)。第一光聚變公司認(rèn)為這是一條最快、最簡便且最廉價的聚變能商業(yè)化路徑，因為這一技術(shù)不需要使用復(fù)雜且昂貴的激光器或磁體來產(chǎn)生或維持聚變條件，而是使用高速彈丸撞擊靶丸，使靶丸內(nèi)部的燃料發(fā)生內(nèi)爆，進(jìn)而引發(fā)聚變反應(yīng)。

實現(xiàn)彈丸聚變的一項關(guān)鍵技術(shù)是靶丸設(shè)計（詳見圖3）。除了裝載燃料，靶丸必須還必須發(fā)揮放大器作用。放大器作用體現(xiàn)在兩個方面，一是放大彈丸撞擊導(dǎo)致的壓力，進(jìn)而向燃料傳導(dǎo)更大壓力；二是使燃料承受來自多個方向的壓力，而不是僅承受來自撞擊方向的壓力，這一點對于聚變反應(yīng)能否實現(xiàn)十分關(guān)鍵。

在近期實現(xiàn)了聚變反應(yīng)的實驗中，第一光聚變公司使用其大型兩級超高速氣體槍向含有燃料的靶丸發(fā)射彈丸。彈丸在與靶丸撞擊前的速度達(dá)到了每秒6.5千米。由于靶丸的獨特設(shè)計能夠放大這種撞擊效應(yīng)，燃料在內(nèi)爆時的速度達(dá)到每秒70千米以上。

圖3 第一光聚變公司靶丸設(shè)計

同行評審發(fā)現(xiàn)，彈丸聚變能技術(shù)的平準(zhǔn)化發(fā)電成本將低于每千瓦時0.05美元，與可再生能源的成本相當(dāng)。第一光聚變公司計劃在21世紀(jì)30年代初建設(shè)一座15萬千瓦的中試聚變電廠。該電廠的造價將不到10 億美元，能夠每30 秒“點火”一次。

2.2 法國

法國卡達(dá)拉奇正在開展一個重大國際合作項目，即國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目。該項目共有七個參與方，即歐盟、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國，目標(biāo)是建設(shè)一座能產(chǎn)生50萬千瓦聚變能的托卡馬克聚變實驗堆，研究氘氚聚變等離子體性質(zhì)，發(fā)展核聚變工程聚變中子輻照下的材料特性，探索和平利用聚變能發(fā)電的科學(xué)和工程技術(shù)可行性，為最終實現(xiàn)建造商用聚變堆的目標(biāo)奠定堅實基礎(chǔ)。ITER 的造價估計為200 億歐元（226 億美元），其中約一半由歐盟承擔(dān)，其他六個參與方分擔(dān)另一半。

根據(jù)ITER 組織公布的時間表，第一個等離子體計劃將于2025 年實現(xiàn)，氘氚聚變實驗將于2035年開始。

2.3 加拿大

加拿大通用聚變公司2022年1月宣布“磁化靶”技術(shù)研究取得里程碑式成果：等離子體壓縮原型裝置已成功示范“磁化靶”聚變技術(shù)的關(guān)鍵要素。這座原型裝置2021 年初投入運(yùn)行，可在數(shù)十毫秒內(nèi)驅(qū)動大型液體渦流腔發(fā)生有力但形狀精確的對稱塌縮。

通用聚變公司一直致力于“磁化靶”聚變能技術(shù)研究。這一技術(shù)的主要原理是：將氘氚等離子體團(tuán)注入到一個液態(tài)金屬的自旋渦流中，然后用一組活塞向內(nèi)擠壓。如果這種擠壓在幾微秒內(nèi)完成，等離子體就會向心聚爆，達(dá)到發(fā)生聚變反應(yīng)的條件。聚變反應(yīng)會產(chǎn)生中子，中子能夠與液態(tài)金屬中的鋰發(fā)生反應(yīng)，生成更多的氚。

通用聚變公司與英國原子能管理局2021年6月宣布簽署合作協(xié)議，未來將在卡勒姆園區(qū)建設(shè)并運(yùn)營一座聚變示范廠。該廠的規(guī)模相當(dāng)于商業(yè)中試廠的70%。它將在“電廠相關(guān)”環(huán)境中建立聚變反應(yīng)條件，但不會用于發(fā)電。示范電廠將每天發(fā)射一次等離子體脈沖，并使用氘燃料。商業(yè)中試廠將使用氘氚燃料，并將每秒發(fā)射一次等離子體脈沖。

2.4 澳大利亞

澳大利亞HB11 能源公司2022 年3 月宣布，已完成全球首次原理性實驗，證明使用拍瓦級激光器促發(fā)的氫硼聚變反應(yīng)，可以高效產(chǎn)生α 粒子，其α粒子通量是預(yù)期通量的10倍。相關(guān)研究成果已刊載在近期出版的科技期刊《應(yīng)用科學(xué)》（Applied Sciences）上。

HB11能源公司研發(fā)的氫硼聚變反應(yīng)堆如圖4所示。這是一個半徑至少為1米的中空金屬球體，內(nèi)部裝有電容線圈和氫硼燃料芯塊。球體上的兩個位置有孔，用于放置一對激光器。其中一個激光器發(fā)射的激光用于加速氫原子，使其與硼發(fā)生碰撞，激發(fā)聚變反應(yīng)；另一個發(fā)射的激光用于激發(fā)電容線圈，產(chǎn)生用于約束等離子體的強(qiáng)磁場。應(yīng)當(dāng)注意的是，HB11能源公司準(zhǔn)備直接利用聚變反應(yīng)產(chǎn)生的α 粒子（帶有正電荷）發(fā)電。

圖4 HB11能源公司氫硼聚變反應(yīng)堆

3 小結(jié)

聚變能是能源領(lǐng)域的游戲規(guī)則改變者，其商業(yè)化應(yīng)用面臨著極大的工程和技術(shù)挑戰(zhàn)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，聚變能技術(shù)已成為全球能源技術(shù)的研發(fā)熱點之一。近年來，除了傳統(tǒng)托卡馬克磁約束聚變和慣性約束聚變能研究取得重要進(jìn)展，全球還涌現(xiàn)出有助于實現(xiàn)聚變電廠小型化的新技術(shù)方案，例如強(qiáng)磁場托卡馬克、彈丸聚變能技術(shù)、脈沖非點火聚變能技術(shù)、“磁化靶”技術(shù)。聚變能技術(shù)的研究范圍也得到拓展，從傳統(tǒng)的氘氚聚變拓展到氫硼聚變和氘氦-3聚變。

美國認(rèn)為，聚變能商業(yè)化應(yīng)用研究已達(dá)到一個重要節(jié)點，未來十年是聚變能發(fā)展的關(guān)鍵時期，因此美國政府將推動相關(guān)各方加強(qiáng)合作，形成合力，共同推進(jìn)聚變能的商業(yè)化進(jìn)程。