引言:
核聚变,为太阳提供能量的过程,被誉为人类能源问题的“终极解决方案”。它燃料丰富(氘氚取自海水)、清洁安全(无长寿命高放废料)、能量密度极高。实现可控核聚变发电,是人类持续数十年的科学追求。
里程碑突破:
能量增益的首次实现: 2022年底,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置首次在惯性约束聚变实验中实现了“净能量增益”,即聚变产生的能量大于输入激光能量(Q>1)。这是历史性的科学验证。
磁约束的稳步推进:
ITER计划: 国际热核聚变实验堆正在法国建造,目标是验证Q=10(输出能量是输入加热能量的10倍)和持续燃烧的可行性,预计2025年首次等离子体,2035年氘氚运行。
中国贡献: 中国的“人造太阳”EAST装置多次刷新长脉冲高约束模式运行世界纪录(如2021年实现1.2亿摄氏度“燃烧”101秒,403秒等离子体运行)。
托卡马克升级: 如英国的JET装置创造了聚变总能量输出记录。
私营公司崛起: 多家私营公司(如Commonwealth Fusion Systems, Helion Energy, TAE Technologies等)采用创新技术路径(紧凑型托卡马克、场反转位形、仿星器等),目标更早实现商业化,融资活跃。
核心挑战:
持续高增益与稳态运行: NIF是单次脉冲,ITER目标持续数百秒,离商业电站要求的连续运行仍有距离。
材料耐受性: 开发能承受极端中子辐照、高热负荷的第一壁材料。
氚自持: 氚是稀有且放射性的,需在反应堆内实现氚燃料的循环增殖。
工程复杂性与成本: 建造和运行聚变堆极其复杂昂贵,需大幅降低成本。
未来展望:
NIF的成功极大提振了信心。ITER的成功运行将是关键一步。私营公司的创新有望加速进程。乐观估计,示范聚变电站可能在2035-2040年代出现,而大规模商业应用可能在本世纪下半叶。尽管挑战巨大,但聚变能源的实现将对全球能源结构、气候变化应对产生革命性影响。