核聚变商业化步伐正在加快丨中国工程院院刊
The following article is from Engineering Author Mitch Leslie
导言：
本文报道了企业在加快核聚变商业化过程中遇到的工程挑战，介绍了托卡马克装置在核聚变商业化中的研发与应用进展，同时分析了核聚变发电的经济性。
本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第1期
作者：Mitch Leslie
来源：Start-ups Seek to Accelerate Path to Nuclear Fusion[J].Engineering,2022,8(1):6-8.
编者按
核聚变能源是一种很有潜力的清洁能源候选，实现核聚变成功发电将是迈向核聚变商业化的重要一步。近年来，全球有多家公司和合作机构正在寻求加速实现核聚变商业化，如英联邦核聚变系统公司计划在2025年前建设一个试点发电站。
中国工程院院刊《Engineering》2022年第1期刊发《新企业寻求加快核聚变商业化》一文，介绍了全球多家企业在将核聚变进行商业化应用的进展情况。文章报道了企业在加快核聚变商业化过程中遇到的工程挑战，介绍了托卡马克装置在核聚变商业化中的研发与应用进展，同时分析了核聚变发电的经济性。
2021年9月，世界上最强高温超导磁体第一次通过测试，在5 h试验中产生了20 T磁场。这个3 m高、9000 kg重的装置（图1）是总部位于美国马萨诸塞州剑桥市的初创企业英联邦核聚变系统（Commonwealth Fusion Systems）公司雄伟计划的核心，目标是建造一个核聚变反应堆，用以生产超过其激活和维持其核反应所需的能量。科学家进行了多次实验性核聚变，没有一个结果接近这一目标。即便是耗资数十亿美元的国际热核聚变实验反应堆（ITER）——由35个国家赞助、正在法国南部建设中（图2）的大型项目——预计最早也要到21世纪30年代中期才能通过平衡点。但是英联邦核聚变系统公司计划在2025年前就建设一个试点发电站。
图1. 从高处俯瞰，英联邦核聚变系统公司的这种超导磁铁在−263 ℃时可产生20 T的磁场，用磁场控制等离子体。该公司计划2025年前建设一个试点发电站，可能成为第一个生产能量超过核聚变反应所需能量的反应堆。来源：Gretchen Ertl，CFS/MIT-PSFC，2021（public domain）。
图2. （a）2018年在建的国际热核聚变实验反应堆（ITER）计划。该反应堆包含总计10 000 t的超导磁铁，在冷却到−269 ℃时用于捕获并控制等离子体。来源：Oak Ridge National Laboratory（CC BY 2.0）。（b）ITER托卡马克装置（tokamak）内部体积为830 m3，模型如图所示，装置大小为世界第一。来源：Motokoka（CC BY 2.0）。
还有20多家公司和合作机构也在寻求加速实现核聚变，其中有的机构声称将在10年后投入运营商业性反应堆。质疑者称，他们此前已经听过太多大话——有个老笑话说，实现核聚变反应堆永远只需要30年。然而，研究人员和工程师在材料、计算机建模和控制系统等领域取得了关键突破，有助于有更深刻地理解高温等离子体（图3）。高温等离子体是所有核聚变设计的重要部分之一。因此，加利福尼亚大学圣地亚哥分校能源研究中心的科学家Christopher Holland说：“有很多条清晰的路径可以让核聚变反应堆投入工作，核聚变发电很快就能实现。”投资者也相信核聚变发电将很快实现（核聚变商业化的投资金额将超过20亿美元）。
图3. 位于英国牛津郡卡勒姆中心的百万安培球形托卡马克中闪耀着灼热的等离子体，该装置在 1999—2013年产生30 000 多个等离子体。来源：Eye Steel Film（CC BY 2.0 )。
但是，Holland和其他专家提醒到，核聚变反应堆商业化之路还存在难以跨越的工程挑战，比如，如何保护反应堆不受自身副产品影响，以及如何提供氚——大多数设计中，氚是核燃料的一部分。位于马里兰州的聚变能协会（Fusion Power Associates）是一家促进核聚变研发的基金会。物理学家兼该协会主席Stephen Dean说：“工程师最终会找到这些挑战的解决方法，但这一过程将耗费10年以上时间。”
相比所有商业核电站的核裂变反应，核聚变有几大优势。核裂变反应堆捕获的是笨重的原子（通常是235U）裂变时产生的能量，而核聚变反应堆产生的是小原子（通常是氚和氢原子的第二个同位素氘）结合时释放的能量。核聚变发应堆每克燃料产生的能量是核裂变反应堆的4倍。反应堆不会融化，也不会产生大量的核废料。原则上，核聚变发电站可以提供大量的低碳电力，因而可以帮助应对气候变化。
但正如部分观点所言，开发一个有效且可使用的反应堆“可以说是迄今为止人类尝试过的最艰巨的工程挑战”。该装置必须将互相强烈排斥的、带正电荷的原子挤在一起。在ITER内旋转的等离子体产生的超高热量可达到1.5×108 ℃，比太阳内部温度高10倍，该温度可迫使不带电荷的原子结合。要使核聚变反应堆有效，工程师必须解决以下问题：生产等离子体并使其长时间激发核聚变；保护反应堆不受高温和中子影响；将产生的能量转化为电能。
目前利用等离子体技术取得较好研究成果的是托卡马克装置。托卡马克反应室发明于20世纪50年代，形状像甜甜圈或去核的苹果。该设备周围强大的磁铁可产生一个磁场，将等离子体封存起来，保持高温并防止损坏设备室内壁。自20世纪50年代以来，全世界已建造100多台这样的机器。托卡马克依然是最普遍的选择——ITER装置便是一个托卡马克。科学家也正在探索其他各种方法。其中之一便是美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（National Ignition Facility at the Lawrence Livermore National Laboratory in California，USA），由192个激光器组成的阵列，可将燃料胶囊加热到超过3×106 ℃，从而激发胶囊中的氘和氚进行聚变。
研究人员利用电力、粒子束和其他能源，已经能产生出寿命较短的等离子体。例如，在2021年，中国的全超导非圆截面托卡马克（EAST）核聚变实验装置在平均温度为1.2×108 ℃的环境下运行一个等离子体长达101 s。到目前为止，还没有反应堆产生过燃烧的等离子体，在这种等离子体中，聚变反应提供了使等离子体在极端温度下得以运行的大部分能量。Holland说：“我们认为现在可以做到这一点。这是极为重要的第一步。”燃烧的等离子体是取得净能量增益的先决条件，是聚变装置的最终目标，即装置内的反应产生的能量超过激发和维持聚变所需的能量。
托卡马克达到的最好性能为输出与输入比略低于0.7。然而，在核聚变发电站中，聚变反应需要释放的能量是其所消耗能量的15倍以上。部分原因是，原子结合所释放的能量仅有一部分可以被捕获，用于发电。运行聚变反应堆也需要大量的电力。美国弗吉尼亚州威廉斯堡的威廉玛丽大学的物理学助理教授Saskia Mordijck说，限制等离子体的超导磁体便是耗电聚变技术的一个例子。ITER的磁铁必须维持在−269 ℃，冷却至这一温度需要世界上最大的氦气冷却系统。
ITER预计在2026年产生“第一束等离子体”，但不用于发电。不过，假设该项目按计划生产出燃烧等离子体，并实现净能量增益，根据专家看法，该项目将提供重要数据和经验，能帮助改进商业反应堆的设计。尽管如此，ITER仍有几个关键的工程问题未解决。一个不确定因素是用于反应室内壁的材料。这种材料不仅要承受等离子体的热度，而且聚变反应中会产生中子冲击，对反应室内壁造成损害。另一个未解决的问题是如何生产反应堆需要的氚。科学家设想给托卡马克上包裹一层锂制覆盖层，锂靶在受中子轰击时会生产氚气。然而，覆盖层能否提供足量的氚气仍是未知数。Mordijck说：“这两个工程问题不解决，我们不可能实现商业核聚变反应堆。”
越来越多的国家断定，实践是学习如何克服以上工程障碍最好的方法。英国政府正力求在2040年前拥有一个政府资助的反应堆原型，中国政府甚至可能更早建成一个核聚变反应堆原型。如果美国政府遵循两个专家组的最新建议，其将利用公私合作关系，在21世纪40年代前建设一个试点设施。
十几家追求核聚变的私营公司认为，他们会赶在最后期限前实现核聚变发电，并且价格比当前更低。新技术可能帮他们更进一步。例如，ITER的磁铁需要保持如此低的温度，是因为它们用的老式的超导材料——含铌的导线。而英联邦聚变系统公司的磁铁则含有一层包裹稀土钡铜氧化物的带子，它在−263 ℃时工作效率最高，而不用冷却至−269 ℃。届时，磁铁也将比ITER的体积更小、功能更强，并且在建造和使用时可能更便宜。该公司称其反应堆的成本应该比ITER的低很多。
英联邦聚变系统公司是坚持使用托卡马克的几家公司之一，这些公司的托卡马克装置有的是甜甜圈状，有的是去核的苹果状。其他竞争者在评估各种新型反应堆配置。例如，美国加利福尼亚州山麓牧场（Foothill Ranch）的TAE科技公司（TAE Technologies）研发的最新装置是一个24 m长的管子，可在两端生产环形的等离子体，然后将等离子体高速推动以创造聚变的条件。位于加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华的通用核聚变公司（General Fusion）计划于2025年前在英国完成耗资4亿美元的示范核聚变发电站。该发电站的设备将等离子体注入含有熔融铅和锂的腔内。活塞将融化的金属压紧，而融化的金属又将挤压等离子体，直到聚变反应发生。
Dean说，实现核聚变成功发电将是一个巨大的成就。但他补充说道，这只是迈向核聚变商业化的其中一步。企业需要证明，自己的发电厂在能源市场上能与其他能源竞争。他说：“这完全是成本问题。”
注：本文内容呈现略有调整，若需可查看原文。
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