一文了解核聚變產(chǎn)能：期望與現(xiàn)實

Adam Stein

美國突破研究所核能創(chuàng)新項目主任

能源問題是一個戴在人類頭上的緊箍咒，而尋找清潔、豐富的能源則成為各國孜孜以求的目標(biāo)。可控核聚變被譽(yù)為清潔能源領(lǐng)域的“圣杯”，由此也被寄予無限期待。幾十年來，等離子體物理學(xué)家一直認(rèn)為，核聚變反應(yīng)總有一天會提供一種安全且可能取之不盡的低碳能源。2022年，美國的NIF實驗室成功實現(xiàn)了能量增益的核聚變反應(yīng)，標(biāo)志著技術(shù)上的重大突破。核聚變實驗距離實際應(yīng)用還面臨著哪些挑戰(zhàn)？核聚變技術(shù)能在多大程度上改變未來的能源格局？隨著全球人口和能源需求的急劇增加，清潔能源市場越來越大。

利用最新技術(shù)，可在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)凈增能量，但由于整個實驗裝置耗能仍大于產(chǎn)能，所以無法實現(xiàn)商業(yè)盈利化。

核聚變理論上有潛力提供無窮無盡的清潔能源，但實際應(yīng)用還須大量研究。

核聚變技術(shù)需要接受嚴(yán)格、全面的監(jiān)管，國際原子能機(jī)構(gòu)應(yīng)在確保不擴(kuò)散和監(jiān)督方面承擔(dān)起責(zé)任。

也許有一天，核聚變產(chǎn)能會成為人類社會的根本性基礎(chǔ)設(shè)施，但目前還很難預(yù)測會在何時、以何種方式實現(xiàn)。

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人類掌握了用核聚變產(chǎn)生能量的技術(shù)嗎？

我們能在有限范圍內(nèi)通過核聚變產(chǎn)生凈增能量。

2022年，美國加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火設(shè)施（NIF）成功創(chuàng)造了一種釋放能量多于消耗能量的核聚變反應(yīng)，這一過程稱為激光點火聚變。NIF裝置使用了全球192個能量最高的激光器，向氘和氚發(fā)射高達(dá)400萬焦耳的紫外線能量。靶標(biāo)約為胡椒粒大小，懸掛在黑腔中——一個小型X射線“烤箱”。當(dāng)被強(qiáng)大的激光擊中時，其溫度高達(dá)300萬攝氏度，導(dǎo)致燃料內(nèi)爆，為核聚變創(chuàng)造條件。2022年12月5日，NIF實現(xiàn)了能量增益，傳輸?shù)桨袠?biāo)的2.05兆焦耳激光能量產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量，從靶標(biāo)中釋放出的能量比投入的能量多。此次成功“點火”，是核聚變技術(shù)的重大突破。

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但是，實驗產(chǎn)生的能量還不夠整個實驗裝置使用

總的來說，實驗裝置仍發(fā)生了大量的能量凈損失。具體而言，靶標(biāo)發(fā)出的1.1兆焦耳凈能量約為0.306千瓦時，將這些能量轉(zhuǎn)化為電能，只能讓一個5瓦的LED小燈泡亮20個小時。此外，NIF科學(xué)家估算，NIF激光設(shè)備整體運(yùn)行所需的能量比激光傳輸給靶標(biāo)的能量高100倍左右。

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何時才能達(dá)到“能量增益”的關(guān)鍵點？如何達(dá)到？尚不確定

未來的研發(fā)必須提高裝置本身的能量效率，才能確保產(chǎn)能多于耗能?？梢允褂贸瑢?dǎo)體等更節(jié)能的組件減少系統(tǒng)耗能，也可以調(diào)整隔熱裝置，或者使用人工智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)比人類更快的操作速度。改進(jìn)設(shè)備的材料和組件，則有望提升其功率。為此，可考慮使用能承受極端溫度的材料、設(shè)計更強(qiáng)的磁體，以更好地控制聚變反應(yīng)中的等離子體。另一個思路是優(yōu)化聚變反應(yīng)發(fā)電技術(shù)。

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核聚變有望成為取之不盡用之不竭的清潔能源嗎？

核聚變的確是一種清潔能源。

核聚變產(chǎn)生的放射性廢物比核裂變少得多。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，無論是聚變還是裂變廢物都可再利用。但是正如核裂變技術(shù)一樣，核聚變也需要接受嚴(yán)格、全面的監(jiān)督，以防被用于制造殺傷性武器。雖然聚變反應(yīng)和聚變設(shè)備不能直接制造武器，但是會產(chǎn)生大量的中子。

圖片來源：PI France

一方面，這些中子可作為后續(xù)聚變反應(yīng)的燃料——許多聚變設(shè)備中含有增殖層，可起到隔熱作用，且襯有特殊材料，能捕獲中子以產(chǎn)生更多氚。增殖層里可以包含鈾或釷捕捉中子，但是鈾或釷一旦受到輻射，會形成鈾-235——核武器原料。從技術(shù)角度而言，只要在包層模塊中使用鋰-6，便可以阻止生成鈾-235，但這就需要國際原子能機(jī)構(gòu)在確保不擴(kuò)散和監(jiān)督方面承擔(dān)起責(zé)任。

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核聚變產(chǎn)能近乎無限，但這并不等同于實際可用的能量源源不斷

一些最新的聚變能源技術(shù)理論上產(chǎn)能比耗能多，從這個角度而言，聚變產(chǎn)能的確“近乎無限”，但這并不意味著所有能量都會轉(zhuǎn)化成社會實際可用的能源。建造運(yùn)營核聚變發(fā)電廠非常昂貴，社會是否愿意為此埋單？這也取決于核聚變電廠如何與其他既有的清潔能源系統(tǒng)互相兼容。

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核聚變何時才能為社會供能？尚不確定。

我樂觀地認(rèn)為核聚變最終將為世界部分地區(qū)提供清潔能源，但不太可能完全代替碳燃料。核聚變產(chǎn)能起步較晚，落后于其他已大規(guī)模部署的清潔能源。不過，未來必將有新的核聚變技術(shù)突破，只是時間的問題。

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初創(chuàng)公司準(zhǔn)備將核聚變技術(shù)市場化？

已有初創(chuàng)企業(yè)表示即將建設(shè)產(chǎn)業(yè)化試點。

幾家頗具豪情壯志的初創(chuàng)企業(yè)已宣布了時間表。美國企業(yè)Helion承諾在2028年前運(yùn)營核聚變能源廠[1]。美國核聚變工業(yè)協(xié)會（Fusion Industry Association）2023年的行業(yè)調(diào)研報告中指出，多家企業(yè)認(rèn)為核聚變發(fā)電廠將在2035年之前接入電網(wǎng)[2]。核聚變企業(yè)通過技術(shù)迭代，一步一個腳印地向著目標(biāo)前進(jìn)。NIF成功的“點火”實驗為未來相關(guān)研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)，特別是激光點火類聚變研究。一些企業(yè)嘗試使用AI優(yōu)化核聚變工藝，初步成果較為樂觀。不過，研究成果距離市場化還有很長的路要走。

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但是，沒有哪家初創(chuàng)企業(yè)能在短期內(nèi)在市面上發(fā)布核聚變技術(shù)產(chǎn)品

初創(chuàng)企業(yè)還有兩大難關(guān)須要客服：一是驗證系統(tǒng)的凈能量增益和總體增益，二是實現(xiàn)具有盈利性的規(guī)?；?。雖然企業(yè)都想明確研發(fā)進(jìn)度時間表，但技術(shù)突破何時到來畢竟難以預(yù)期。

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核聚變技術(shù)的商業(yè)價值經(jīng)得起驗證嗎？尚不確定

核聚變技術(shù)尚未得到充分驗證，仍屬于高風(fēng)險投資。這與15年前投資太陽能電池不一樣：當(dāng)年，太陽能發(fā)電效率已達(dá)20%。現(xiàn)在的核聚變更像40年前的太陽能——效率只有1%，推廣面還非常小。初創(chuàng)企業(yè)想驗證概念，首先得要把試點發(fā)電廠建好，而籌集足夠的資金或存在困難。新技術(shù)在早期必然會經(jīng)歷坎坷，第一代核聚變電站可能既成本高昂，又不穩(wěn)定。盡管如此，鑒于替代化石燃料的迫切需要、全球人口飆升以及發(fā)展中國家不斷增加的能源需求，核聚變清潔能源未來將具有巨大市場潛力。

作者

Marianne Guenot

參考資料：

1. https://www.helionenergy.com/articles/helion-announces-worlds-first-fusion-ppa-with-microsoft/

2. https://www.fusionindustryassociation.org/wp-content/uploads/2023/07/FIA%E2%80%932023-FINAL.pdf