核聚變產(chǎn)業(yè)研究：技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)投資共振人類終極能源漸行漸近

核聚變產(chǎn)業(yè)研究：技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)投資共振，人類終極能源漸行漸近核聚變：解決人類能源問(wèn)題的終極方案核聚變：人類終極能源，以托卡馬克裝置最成熟核聚變，又稱核融合、融合反應(yīng)、聚變反應(yīng)或熱核反應(yīng)。核聚變由質(zhì)量小的原子（主要是指氘或氚），在一定條件下（如超高溫和高壓）發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核（如氦核），并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。因此，核聚變被視為幾乎無(wú)限的能量來(lái)源，潔凈、安全而自持，為解決人類未來(lái)的能源展示了最好的前景。核聚變能是人類未來(lái)更理想的新能源。核聚變產(chǎn)生的能量是核裂變的3-4倍，其副產(chǎn)品是惰性、無(wú)毒的氦氣，不會(huì)影響環(huán)境安全。在燃料上，核聚變?nèi)剂现坏碾畯V泛地分布在海水中，1升海水中含的氘全部聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量與300升汽油完全燃燒所釋放的能量相當(dāng)，海水中氘的儲(chǔ)量可供人類使用幾十億年。此外，核聚變反應(yīng)需要在高溫等離子體和外部磁場(chǎng)限制的環(huán)境下才可以進(jìn)行，同時(shí)它可以在幾秒鐘內(nèi)得到控制或停止，本質(zhì)上是安全的。磁約束核聚變（托卡馬克，俄語(yǔ)中“軸向磁場(chǎng)環(huán)形室”的縮寫）成為可控核聚變的主要途徑。根據(jù)IAEA數(shù)據(jù)，截至2022年年底，全世界約有130個(gè)國(guó)有或私營(yíng)實(shí)驗(yàn)性聚變裝置，其中90個(gè)正在運(yùn)行，12個(gè)在建，28個(gè)計(jì)劃中。其中約76個(gè)托卡馬克、13個(gè)仿星器、9個(gè)激光點(diǎn)火設(shè)施以及32個(gè)所謂新概念裝置。產(chǎn)生有效聚變功率輸出有較高反應(yīng)條件要求，目前面臨三大技術(shù)挑戰(zhàn)氚的半衰期只有12.43年，因此在地球上并不存在天然氚。這使得保障氚的供應(yīng)成為實(shí)現(xiàn)受控氘氚聚變反應(yīng)所必須解決的重要挑戰(zhàn)之一。1GW聚變電站每年需要消耗56kg氚，目前，氚只能從重水堆中獲取，樂(lè)觀估計(jì)重水堆每年產(chǎn)氚量大約3kg，難以維系聚變堆的運(yùn)行需求。因此，聚變堆在投入首爐氚后，氚必須實(shí)現(xiàn)自持。氚可以由中子與鋰原子的相互作用產(chǎn)生。天然鋰由兩種穩(wěn)定的同位素組成，Li-6和Li-7，后者更為豐富。國(guó)際聚變能發(fā)展規(guī)劃國(guó)際核能大國(guó)分別給出了聚變能發(fā)展規(guī)劃，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)DEMO的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行上，美國(guó)、歐盟、俄羅斯、日本和印度等分別給出了2035年左右的時(shí)間規(guī)劃。我國(guó)核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略體系，聚變堆是核能發(fā)展的終極目標(biāo)。發(fā)展現(xiàn)狀：ITER項(xiàng)目穩(wěn)步推進(jìn)，各國(guó)裝置取得快速進(jìn)步托卡馬克裝置是核聚變主要裝置類型，目前，世界上主要的托卡馬克裝置包括35個(gè)國(guó)家合作建造的ITER，日本和歐盟合作建造的JT60SA，我國(guó)的EAST，美國(guó)的TFTR，歐洲的JET，韓國(guó)的KSTAR，法國(guó)WEST等。ITER：35個(gè)國(guó)家合作，將建成世界最大托卡馬克裝置國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）誕生于2006年，將建成全世界最大的托卡馬克裝置，整體重23000噸，環(huán)形空腔內(nèi)的等離子體溫度將達(dá)1.5億℃，外部的超導(dǎo)磁體則需要在接近-270℃（液氦溫度）的極低溫度運(yùn)行。ITER項(xiàng)目的核電站將產(chǎn)生大約500MW熱能，如果持續(xù)運(yùn)行并接入電網(wǎng)，將轉(zhuǎn)化為約200MW的電能。歐盟估計(jì)，到2035年，僅歐盟在該項(xiàng)目中付出的成本就將達(dá)到181億歐元（約合196億美元）。據(jù)此推算，如果整個(gè)項(xiàng)目都在歐盟內(nèi)進(jìn)行，那么在此期間ITER的總成本將為410億歐元。2006年，中國(guó)正式加入ITER項(xiàng)目，主要參與建造磁體饋線（feeders）和極向場(chǎng)線圈（PFcoils）等18個(gè)部件研制制造任務(wù)。2020年7月28日，ITER在法國(guó)南部正式開始組裝。ITER計(jì)劃用4.5年完成安裝，到2025年進(jìn)行第一次等離子體放電，最終驗(yàn)證核聚變商業(yè)化應(yīng)用的可行性。ITER項(xiàng)目面臨工期推遲和成本超出。在2022年發(fā)現(xiàn)組件缺陷前，ITER項(xiàng)目已面臨推遲和成本增加。2020年，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人首次警告，2025年的啟動(dòng)日期無(wú)法實(shí)現(xiàn)。預(yù)計(jì)2024年底項(xiàng)目才能對(duì)推遲時(shí)長(zhǎng)和額外成本做出估計(jì)。美國(guó)：NSTX-U在升級(jí)中，NIF實(shí)現(xiàn)能量?jī)粼鲆鎀FTR：美國(guó)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）在1982年至1997年運(yùn)行TFTR反應(yīng)堆，1993年，TFTR成為世界上第一個(gè)使用50/50氘氚混合物，并在1994年產(chǎn)生了10.7MW聚變功率。NSTX-U：NSTX于1999年首次投入使用，2012年到2015年，該設(shè)備耗費(fèi)了9400萬(wàn)美元進(jìn)行升級(jí)，使主磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到原來(lái)的兩倍，并增加了注射中性原子的第二個(gè)端口，升級(jí)之后該裝置命名為NSTX-U。NIF：美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置是目前世界上最大和最復(fù)雜的慣性約束聚變研究裝置。耗資35億美元的NIF旨在通過(guò)間接驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變來(lái)研究核武器中的基本物理過(guò)程，同時(shí)也肩負(fù)著推進(jìn)慣性約束聚變能源研究的任務(wù)。2022年12月，NIF實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次核聚變凈能量增益。（利用脈沖激光向?qū)嶒?yàn)氘氚靶丸輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量，能量增益達(dá)到1.5倍）歐洲：JET氘氚聚變實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生能量輸出59MJ等離子體JET（歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆）從1983年開始運(yùn)行，是在日本JT-60SA前規(guī)模最大的托卡馬克裝置。JET位于卡勒姆聚變能源中心，其科學(xué)業(yè)務(wù)由歐洲聚變能源發(fā)展聯(lián)合會(huì)負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)。2022年2月，JET產(chǎn)生了能量輸出為59兆焦耳的穩(wěn)定等離子體。這是自1997年以來(lái)，世界首次進(jìn)行的氘氚核聚變實(shí)驗(yàn)。（JET在5秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了平均超過(guò)11兆瓦的功率輸出）日本：JT-60SA成功點(diǎn)火JT-60SA，由日本和歐洲提供資金，利用日本Torus-60升級(jí)實(shí)驗(yàn)(JT-60U)的大部分現(xiàn)有站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)，大多數(shù)主要部件都經(jīng)過(guò)了重新設(shè)計(jì)和制造。JT-60SA于2020年竣工，中央裝置高約16米，直徑約13米，是世界第二大等離子體研究設(shè)施，僅次于正在建設(shè)的ITER。JT-60SA開展的工作將為ITER提供支持。聚變-裂變混合堆：千年能源方案，實(shí)驗(yàn)堆即將建設(shè)鈾資源有限推動(dòng)混合堆發(fā)展，安全性和高放核廢料處理優(yōu)勢(shì)顯著核資源：U-235資源有限，快堆燃料增殖能力有限，難以滿足迅速增長(zhǎng)的核能需求，需要依賴混合堆高效燃料轉(zhuǎn)換效率來(lái)解決；核安全：包層為keff小于1的次臨界系統(tǒng)；高放核廢料處理：核電站乏燃料具有放射性強(qiáng)、毒性大、壽命長(zhǎng)等問(wèn)題，混合堆中子通量密度高、能譜硬，是處理錒系核裂變產(chǎn)物的理想裝置。聚變-裂變混合堆=熱核聚變中子源+次臨界裂變堆。聚變-裂變混合堆基本原理：利用氘氚聚變中子與Li反應(yīng)生產(chǎn)氚以滿足內(nèi)部聚變反應(yīng)所需，剩余中子將可轉(zhuǎn)換材料（U-238和Th-232）轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎儾牧螾u-239和U-233，直接裂變產(chǎn)生能量?；旌隙褍?yōu)勢(shì)1：大幅降低堆芯等離子體性能及第一壁材料要求;混合堆優(yōu)勢(shì)2：U資源利用率高，相比快堆，不需要U-235或Pu-239的初始裝量，燃料增殖能力強(qiáng)；支持比N：一個(gè)混合堆生產(chǎn)的核燃料能支持同等功率裂變堆的數(shù)量?；旌隙褍?yōu)勢(shì)3：核廢料嬗變，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子可以將長(zhǎng)期具有放射性的核反應(yīng)廢物超鈾元素分解成壽命較短的元素；我國(guó)混合堆研究以三大院所為主，實(shí)驗(yàn)堆即將進(jìn)入建設(shè)1983年，中國(guó)提出了中國(guó)核能發(fā)展“三步走”，即“壓水堆-快堆-聚變堆”以及“堅(jiān)持核燃料閉式循環(huán)”方針。聚變堆包含聚變-裂變混合堆、聚變驅(qū)動(dòng)嬗變堆及純聚變堆。西南物理研究院：在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下，我院自“七五”期間開展了聚變-裂變混合堆研究，先后完成了試驗(yàn)混合堆、商用混合堆的概念設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)混合堆的聯(lián)合設(shè)計(jì)；“九五”期間完成了實(shí)驗(yàn)混合堆工程概要設(shè)計(jì)，開展了包層和偏濾器方面的設(shè)計(jì)研究，建立了工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)；在用聚變中子處理長(zhǎng)壽命放射性核廢料的新堆型設(shè)計(jì)方面，也取得了重要成果。聚變-裂變混合實(shí)驗(yàn)堆即將建設(shè)：聯(lián)創(chuàng)超導(dǎo)和中核聚變（成都）設(shè)計(jì)研究院有限公司簽訂協(xié)議，采用全新技術(shù)路線，聯(lián)合建設(shè)聚變-裂變混合實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目，技術(shù)目標(biāo)Q值大于30，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電功率100MW，工程總投資預(yù)計(jì)超過(guò)200億元。中科院等離子體物理研究所：2000年后，合肥等離子體所在國(guó)家自然基金及中科院知識(shí)創(chuàng)新共層項(xiàng)目支持下，開展了系列聚變-裂變混合堆概念的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，如球馬克堆芯、多功能包層及聚變驅(qū)動(dòng)嬗變堆等。超導(dǎo)磁體是托卡馬克裝置的關(guān)鍵，應(yīng)用從低溫超導(dǎo)發(fā)展至高溫超導(dǎo)超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料：完全導(dǎo)電性、完全抗磁性、通量量子化。超導(dǎo)材料市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，根據(jù)歐洲超導(dǎo)行業(yè)協(xié)會(huì)，2022年，全球超導(dǎo)產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模達(dá)68億歐元。低溫超導(dǎo)電材料應(yīng)用成熟：目前，低溫超導(dǎo)材料占國(guó)際超導(dǎo)材料市場(chǎng)90%的左右，全球僅有少數(shù)幾家企業(yè)掌握低溫超導(dǎo)線生產(chǎn)技術(shù)，主要分布在美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本和中國(guó)。托卡馬克裝置需要強(qiáng)磁場(chǎng)，低溫超導(dǎo)應(yīng)用成熟聚變反應(yīng)堆等離子體約束需要強(qiáng)磁場(chǎng)，等離子體約束時(shí)間隨著磁場(chǎng)的增加而增加。過(guò)去，包括ITER在內(nèi)的托卡馬克裝置都使用低溫超導(dǎo)材料。在ITER項(xiàng)目中，超導(dǎo)磁體占ITER成本的28%。高溫超導(dǎo)材料進(jìn)步，將應(yīng)用于核聚變產(chǎn)業(yè)美國(guó)CFS和MIT提出采用高溫超導(dǎo)磁體，以實(shí)現(xiàn)聚變裝置的小型化和緊湊型?；诟邷爻瑢?dǎo)的磁體可以實(shí)現(xiàn)最高20T的磁場(chǎng)強(qiáng)度，該磁體將用于聚變反應(yīng)堆SPARC。國(guó)內(nèi)超導(dǎo)帶材制造處于國(guó)際領(lǐng)先水平。上海超導(dǎo)基于物理氣相沉積法制備的ReBCO帶材具有全球領(lǐng)先的低溫高場(chǎng)電性能，一流的自場(chǎng)電流密度、優(yōu)異的磁體繞制性能、極低的交流損耗（0.36-0.5W/m）。上海超導(dǎo)：上海超導(dǎo)已為CFS批量提供超過(guò)一百余公里采用30微米超薄基帶的高性能高溫超導(dǎo)帶材，用于聚變導(dǎo)體和磁體研制；上海超導(dǎo)與英國(guó)TE公司深度合作，于2017-2020年間分批陸續(xù)供應(yīng)寬幅高性能高溫超導(dǎo)帶材，用于強(qiáng)場(chǎng)磁體研制及超導(dǎo)可控核聚變。永鼎股份：專業(yè)研發(fā)新型千米級(jí)第二代高溫超導(dǎo)（2G-HTS）帶材，發(fā)展新型高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)2G-HTS帶材的產(chǎn)業(yè)化及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的研究開發(fā)。2023年11月20日，永鼎承擔(dān)建設(shè)的我國(guó)首條高溫超導(dǎo)低壓直流電纜，在江蘇蘇州并網(wǎng)投運(yùn)，填補(bǔ)了我國(guó)在超導(dǎo)電纜低壓直流系統(tǒng)的應(yīng)用空白。相比于第一代高溫超導(dǎo)帶材，第二代YBCO優(yōu)勢(shì)明顯，其成本更低，載流能力等性能保持更加優(yōu)異。永鼎股份第二代（YBCO）高溫超導(dǎo)帶材產(chǎn)品已在超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備、可控核聚變、超導(dǎo)電纜等下游應(yīng)用中廣泛應(yīng)用。民營(yíng)資本涌入推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，日本已將核聚變上升至國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策根據(jù)FIA數(shù)據(jù)，2022年全球私營(yíng)核聚變公司獲得超過(guò)48億美元的投資，比2021年增長(zhǎng)139%，私人投資對(duì)核聚變的投資額首次超過(guò)政府資助。2023年，全球私營(yíng)聚變公司獲得的投資額從48億美元增加至62億美元。新增資金包括美國(guó)TAE技術(shù)公司2.5億美元、中國(guó)新奧科技發(fā)展公司2億美元、日本京都聚變技術(shù)公司7900萬(wàn)美元、中國(guó)能源奇點(diǎn)公司5500萬(wàn)美元等。FIA調(diào)研的30家從事核聚變的企業(yè)中，有4家給出預(yù)計(jì)2030年前向電網(wǎng)供電，有15家給出預(yù)計(jì)2030-2035年間實(shí)現(xiàn)向電網(wǎng)供電。FIA調(diào)研的40家從事核聚變的企業(yè)中，有6家認(rèn)為核聚變發(fā)電有望在2030年之前實(shí)現(xiàn)，20家認(rèn)為核聚變發(fā)電有望在2031-2035年間實(shí)現(xiàn)。美國(guó)HelionEnergy：2023年5月，美國(guó)HelionEnergy宣布將在2028年之前建成世界上第一座聚變發(fā)電廠。HelionEnergy成立于2013年，已籌集超過(guò)5.7億美元的私人資本。ChatGPT母公司OpenAI首席執(zhí)行官SamAltman在2021年對(duì)HelionEnergy投資3.75億美元。HelionEnergy預(yù)計(jì)核聚變電廠投產(chǎn)后將在1年內(nèi)實(shí)現(xiàn)至少50MW的發(fā)電能力。微軟已與HelionEnergy簽訂了電力購(gòu)買協(xié)議。美國(guó)CFS：CFS（CommonwealthFusionSystems）源于MIT的等離子科學(xué)和聚變中心，成立于2018年，2021年完成18億美元B輪融資，新參與者包括比爾蓋茨、谷歌等。CFS計(jì)劃在美國(guó)建立一座聚變反應(yīng)堆SPARC，預(yù)期在2030年代初期實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變發(fā)電。SPARC目標(biāo)實(shí)現(xiàn)Q>2，并為ARC聚變核電站建設(shè)奠定基礎(chǔ)。英國(guó)TokamakEnergy：由來(lái)自世界領(lǐng)先的卡勒姆聚變研究機(jī)構(gòu)的前沿科學(xué)家創(chuàng)立，成立于2009年，總部位于英國(guó)牛津郡。TokamakEnergy計(jì)劃在2026年完成ST80-HTS以展示高溫超導(dǎo)磁體的全部潛力，并為其核聚變?cè)囼?yàn)工廠ST-E1的設(shè)計(jì)提供信息，該工廠計(jì)劃在2030年代產(chǎn)生200MW電力。2023年4月，TokamakEnergy宣布已建造出世界首套新一代高溫超導(dǎo)(HTS)磁體，將在美國(guó)實(shí)驗(yàn)室極端條件下進(jìn)行測(cè)試。日本將核聚變上升至國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策日本能源匱乏，能源自給率只有13%左右，在全球推進(jìn)碳中和的背景下，日本政府將核聚變能視為支撐未來(lái)超智能社會(huì)的重要基礎(chǔ)。2023年4月，日本推出《核聚變能