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可控核聚变
第 四十一 期
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什么是可控核聚变
可控核聚变是指在实验室或工程条件下，通过人为控制的方式实现核聚变反应，以获得巨大的能量。这个过程通常需要在极高的温度和压力下进行，以克服原子核之间的电磁斥力，使得原子核足够接近以触发强大的核力，从而导致核聚变。
核聚变的优势
1. 能源丰富：海水中的氘和氚是无尽的能源。例如，一升海水中含有约33毫克的氘，可以产生出与300升汽油燃烧相当的能量。
2. 环境友好：核聚变产生的主要废物是氦气，是一种稀有但非放射性的元素。
3. 安全性高：核聚变反应在停止供能后会自动停止，不会发生链式反应，因此不会有核泄漏或者爆炸的风险。
4. 无温室气体排放：核聚变过程中不会产生二氧化碳等温室气体，对于减缓全球气候变暖非常有利。
5. 高效能：核聚变的能量密度极高，其能量输出是化石燃料的几百万倍。例如，1克氘-氚混合物的能量相当于8000升汽油的能量。
技术难点
1.可控
核聚变的核心难点在于长时间约束等离子体和实现净能量输出。要实现这一点，需要达到上亿摄氏度的高温，等离子体有足够的密度，以及足够长的时间将等离子体约束住。这被称为劳森判据。当聚变输出的功率大于输入功率时，就说明聚变反应是有利可图的。目前，最长的稳定等离子体约束时间是8分钟，最高的净能量输出值是Q=1.5。
磁约束聚变通过在特定的强大磁场下约束等离子体，实现氘、氚等离子体的碰撞。主要的装置类型有托卡马克和仿星器。
惯性约束聚变利用粒子的惯性作用来约束粒子本身，实现核聚变反应。装置类型按照驱动方式可分为激光驱动和Z-箍缩驱动两种。
自持
核聚变发电的一个主要挑战是“自持”，包括氚（原料）的自持和能量的自持。氚在地球上非常稀缺，所以必须在聚变过程中自己产生氚，实现氚的自给。另一方面，聚变反应需要巨大的能量，如果只依赖外界输入能量是不现实的，因此需要将反应自身产生的能量循环利用。
然而，这两个问题都难以解决，导致核聚变发电的经济性降低，预期实现年限也逐步延长。据估计，一个100万千瓦的磁约束聚变电站的成本超过100亿美元，而同等级能量的传统核电站成本只有20亿美元。
此外，纯聚变装置的建设常常因为资金紧缺和技术突破难度大而延缓。例如，国际项目ITER的成本预计翻番，时间轴至少延后6年。
过渡方案：混合堆
聚变-裂变混合堆是目前最具商业化机会的堆型之一，被视为纯聚变堆应用前的“过渡”堆型。它通过特殊设计结合了聚变能和裂变能的优势，能同时满足核能发电的安全、可控、可持续要求。
混合堆有两个构成部分：聚变堆和裂变堆，聚变堆在中心位置，裂变堆以包层的形式在外围。聚变堆中有氘、氚等燃料，裂变包层中通常有铀-238或钍-232以及锂-6。
混合堆的运行过程解决了“可控”和“自持”问题。聚变堆中的氘和氚反应后产生高能中子，这些中子撞击外层铀-238或钍-232，裂变反应发生并释放能量。生成的钚-239和铀-233是核燃料，可循环利用，再次燃烧产生能源。高能中子撞击外层的锂-6后形成氚，这些氚又能再次作为聚变堆的燃料。
混合堆比聚变堆更具商业化可能性，其值较纯聚变堆高出几个数量级。混合堆比裂变堆的优势在于安全性更高、铀资源利用率更高、环保性更高。裂变堆中的链式反应如果控制不当极易引发安全事故，而混合堆的裂变部分处于次临界状态，不会引起核爆等安全问题。混合堆将核废料转化为核燃料，提升了铀资源的使用效率。此外，混合堆可以对长寿命废物进行嬗变，消除环境隐患。
混合堆发展情况
聚变-裂变混合堆是解决纯聚变能应用“可控”和“自持”难题的关键。混合堆由聚变堆和裂变堆两部分组成，通过特殊设计将聚变能和裂变能优势结合，满足核能发电的安全、可控、可持续要求。
俄罗斯是混合堆研究领域的领先者，计划于2030/2040年建成原型/商用混合堆。而中国的混合堆研究也逐步聚焦于Z箍缩聚变-裂变混合堆技术路径上。据计划，中国预计在2030年前后建成实验堆。此外，中核集团与联创光电合作的两百亿混合堆项目正在逐步推进。
混合堆的优势在于技术要求低，铀利用率高，经济性强。预计1GWe电站造价约为30亿美元，不到纯聚变电站的1/3。总体来看，混合堆的研究和开发对聚变能的商业化具有重要意义。
边际变化
近年来，可控核聚变产业链的多项突破使科学家对实现混合堆商用的预期时间大幅缩短，也吸引了大量资金进入核聚变行业。
超导材料是实现可控核聚变的关键。由于能够大大提升一定电流强度下所允许的最高磁场强度，超导材料使得长时间、高约束等离子体运行成为可能。部分超导材料制备工艺已经成熟，有望带来百亿级市场空间。
2021年，麻省理工学院和联邦聚变系统（CFS）研制出了全球首个大口径高温超导聚变强场磁体，磁场强度达到空前的20特斯拉，这使得聚变堆小型化成为可能。CFS计划在2025年完成SPARC紧凑型核聚变实验装置，并计划在2030年代初完成ARC工程实验堆，实现聚变发电。
相关公司
联创光电已从传统的光电通信系统设备及光电元器件业务转向超导领域。自2019年以来，公司专注于大功率高温超导强磁场感应加热设备等的研发、设计和生产，技术已达到全球领先水平。2023年，公司的超大功率高温超导感应加热器开始商用，订单突破60台。
公司子公司联创超导与中核集团的中核聚变设计研究院签订了战略合作协议。联创超导的超导磁体技术和中核集团丰富的磁约束聚变实验经验的结合，有望实现1+1>2的效果。
2.国光电器
国光电气是ITER和CFETR（国产ITER）项目的核心零件供应商，主营业务包括微波器件、核工业设备及零部件和其他民用产品。公司于2014年开始研发满足ITER技术标准的“ITER热氦检漏设备”，成为全球首家研制出此类设备的企业。热氦检漏是检验聚变堆真空室内高温承压部件真空密封性的核心技术，也是保障聚变堆安全稳定运行的关键环节。另外，公司研制的偏滤器是ITER项目、我国CFETR及HL-2M等聚变项目的关键部件，主要功能是有效地屏蔽来自器壁的杂质，减少对中心等离子体的污染。
雪人股份是国内冷库行业龙头企业，产品包括制冰设备等。2010年，公司通过收购瑞典SRM公司，专注于制冷压缩机领域，并成功将海外技术应用于国内科研项目。2015年，公司与中科院理化所合作推动氦气压缩机的研发和国产化。目前，公司的“兆瓦级”大型氦气压缩机设备能模拟接近绝对零度的低温环境。
氦气螺旋压缩机组是实现超导的必要设备，因为超导体需要在非常低的环境温度中运用。氦气螺杆压缩机能实现超低温，满足了超导托卡马克装置的需要，是许多“人造小太阳”科学工程的核心部件。2021年4月，公司向中科院合肥物质科学研究院提供的氦气螺杆压缩机组成功应用于全超导托克马克核聚变实验装置中，实现了-269摄氏度的超低温制冷。
4.合锻智能
合锻智能与能源研究院深度合作，共同打造服务于核聚变装备的专业化制造平台，承接了核聚变真空室构件的研制工作。真空室是核聚变装置中等离子体直接运行的地方，以避免其受到外界环境的污染。
风险
1、技术突破不及预期：可控核聚变产业仍处于预研阶段，技术突破的速度具备较高不确定性。如果研究遇到未预见的瓶颈，产业内公司或受到较大影响；
2、资金投入超预期：许多托卡马克实验堆在建设的过程中所花费的资金都超过了人们最开始的预期，导致了工程的延误。如果这种情况再度发生，产业内零部件供应商或受到较大影响
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