美擬加速推進聚變能商業化進程

2022 年3 月17 日，美國白宮科技政策辦公室和能源部在白宮聯合舉辦首屆聚變峰會，召集來自政府、行業、學術界和其他利益相關方的領導人，共同探討聚變能技術發展前景及其面臨的挑戰。美國政府在此次峰會上宣布，將領導相關各方制訂未來十年商業聚變能發展戰略，目標是加速聚變能這一清潔能源技術的商業化進程。

聚變能被視為終極能源，能夠幫助人類擺脫對化石燃料的依賴、進入全新的能源時代。但實現聚變能的商業化應用需要解決大量技術和工程難題，被美國國家工程院評為人類在21世紀面臨的14大科技挑戰之一。近年來，受益于長期研究的積累及相關科學技術的進步，聚變能技術在全球范圍內迎來一波研發熱潮。除了美國、英國、法國等國政府資助的研究項目，全球30多家私營企業正在開展聚變能技術研發，提出了多種有助于實現聚變反應堆小型化的受控聚變新方案，并積極推進多座聚變示范設施的建設，2021年在聚變能技術開發方面的投資超過25億美元。許多公司認為，在20世紀30年代實現聚變能商業應用是一個可以實現的目標。在這一背景下，美國政府認為，現在是時候加速推進商業聚變能研發。

1 美國聚變能研發現狀

美國政府和私營企業近年來均在積極開展聚變能技術研發，并已取得大量研究成果。

1.1 能源部

能源部一直在其科學辦公室“聚變能科學計劃”下切實支持聚變能技術研發。該計劃是美國聚變能研究的最大國家資金來源，2021—2023財年的經費或預算申請額分別為6.72 億美元、7.13 億美元和7.23 億美元?？茖W辦公室在該計劃下管理著兩座大型聚變能研究設施，即DIII-D國家聚變設施(DIII-D)和國家球形托卡馬克實驗升級設施（NSTX-U），可供國內外研究人員開展聚變能研究。

DIII-D位于加利福尼亞州圣地亞哥，由通用原子能公司運營，1986年投運，是美國最大的磁約束聚變能研究裝置，大半徑1.7 米，小半徑0.6米，最大等離子體電流2 兆安培，最大環形磁場強度2.17 特斯拉，能夠產生各種形狀的等離子體，并擁有50多種診斷系統，主要用于開展托卡馬克磁約束基礎研究。目前有100 多家研究機構的約600 名研究人員在使用DIII-D 開展聚變能研究。

NSTX-U位于新澤西州普林斯頓，2016年投運，由普林斯頓等離子體物理實驗室運營，是全球功率最大的球形托卡馬克研究裝置，大半徑0.93 米、環徑比1.5，最大磁場強度1 特斯拉，最大等離子體電流2 兆安培，最大脈沖持續時間5秒。

能源部國家核軍工管理局管理的國家點火裝置（NIF）是當今世界上最大和最復雜的慣性約束聚變能研究裝置。NIF 長約200 米，寬約85米，主要由兩部分——即192路高能量激光系統和直徑10 米、重約450 噸的靶室——組成，2021年8 月在實驗過程中獲得了創紀錄的1.35 兆焦能量，比2020 年的最高能量提高24 倍，接近“點火”所需的1.9 兆焦能量，向成功“點火”邁進一大步。

能源部在此次峰會上宣布將開展兩項支持聚變能發展的行動。一是啟動一項倡議，目標是匯集國家核軍工管理局、科學辦公室、核能辦公室、高級能源研究計劃署等能源部內部相關機構的力量，與私營企業合作加速推進聚變能商業化應用進程。高級能源研究計劃署聚變項目負責人斯科特·舒將擔任能源部首席聚變能協調員，負責推進相關工作的開展，并直接向主管科學和創新的能源部副部長匯報工作。二是為聚變能科學研究提供5000 萬美元資助：2000 萬美元用于支持球形托卡馬克研究，目的是加強對等離子體的模擬和科學理解；3000 萬美元用于支持旨在延長燃燒等離子體持續時間的研究。

1.2 私營企業

美國有20多家私營企業正在大力開展商業聚變能研發。多家企業正在穩步推進聚變能示范設施建設，并于近期公布具有里程碑意義的研發成果。

1.2.1 TAE技術公司

TAE技術公司2021年4月宣布，其第五臺等離子體發生器“諾曼”（詳見圖1）已產生超過5000萬℃的穩定等離子體溫度。

圖1 TAE技術公司等離子體發生器“諾曼”外形

與通常以氘和氚為燃料的其他聚變能研究不同，TAE 技術公司擬使用的聚變燃料是氫和硼。氫硼聚變反應不會釋放中子，而是僅產生三個α 粒子和X 射線。在整個反應過程中，燃料和產物均不含放射性物質，因此氫硼聚變被認為是最清潔的聚變能方式之一。但氫硼聚變的實現難度較大，因為其要求等離子體溫度達到30 億℃，是氘氚聚變反應的20 多倍。

TAE 技術公司的聚變能技術綜合利用了先進加速器技術和等離子體物理學研究成果，其聚變平臺是一個水平放置的圓柱體，周圍環繞著圓形磁鐵及其他輔助設備。其實現聚變反應的過程為：首先在圓柱體兩端生成場反向位形（FRC）等離子體；然后使等離子體從兩端高速向圓柱體中央移動，并在中央靶室碰撞融合，實現聚變點火。TAE技術公司計劃最終實現氫硼聚變，但在達到足夠的溫度之前，將開展氘氚聚變研究。這種方案結構緊湊，能源效率高，能夠用于建設20萬～50萬千瓦且經濟性可媲美其他電廠的商業基荷電廠。

為在21世紀30年代初實現聚變能的商業化應用，TAE技術公司計劃未來建設兩座設施。一座是該公司的第六座等離子體發生器“哥白尼”。該設施將在超過1 億℃的工況下運行，模擬傳統氘氚燃料循環的凈能量生產，幫助TAE技術公司獲得將其技術用于氘氚聚變的許可，并推進氫硼聚變這一最終目標的實現。預計“哥白尼”將于2025 年投運。另一座是名為“達芬奇”的全球首座氫硼聚變能原型電廠。該電廠將于2030年并網發電。

1.2.2 Helion能源公司

Helion能源公司2021年6月宣布，其第六臺原型聚變發生器“特倫塔”已實現超過1 億℃的等離子體溫度，該公司因此成為全球首家實現這一里程碑的私營聚變能研究企業。

Helion 能源公司正在開展以氘和氦-3 為燃料的脈沖非點火聚變能技術研發，并為此開發了一種名為“等離子體加速器”的裝置（詳見圖2）。其聚變能發電過程共分為五步：第一，在裝置兩端分別將氘和氦-3加熱到極高溫度，形成等離子體，并使用FRC 磁場約束等離子體；第二，在磁場驅動下，兩端的等離子體以每小時160萬千米的速度向裝置中央移動，在中央位置發生猛烈碰撞；第三，當碰撞發生時，使用強大的磁場對等離子體進行進一步壓縮，直至達到引發聚變反應所需的高溫1億℃；第四，氘和氦-3在高溫下發生聚變反應，釋放大量聚變能，等離子體此時會在磁場約束下沿著軸向膨脹；第五，沿軸向設置的磁流體發電機利用霍爾效應，將高溫等離子體的動能轉化為電能，同時完成反應產物的冷卻，冷卻完畢的反應產物從兩端排出，并再開始下一輪循環。該技術相對于其他聚變能技術有兩點優勢：一是使用氘和氦-3 作為燃料，聚變反應的產物中無中子，放射性小，反應過程易于控制，有助于進一步降低聚變裝置體積率；二是這一系統可以直接生產電力，能提高能源效率，而其他聚變系統需要將水加熱成蒸汽，然后使用蒸汽驅動汽輪機發電，這一過程會造成大量能量損失。

圖2 Helion能源公司“等離子體加速器”外形

Helion 能源公司2021 年7 月在華盛頓州埃弗雷特正式啟動其第七臺原型聚變發生器“北極星”的建設。該設施將于2022 年初建成，并于2024年實現聚變反應的能量凈輸出。

1.2.3 聯邦聚變系統公司和麻省理工學院

聯邦聚變系統公司和麻省理工學院2021年9 月聯合宣布，歷經三年的努力，研究團隊于當月首次將大型高溫超導電磁體磁場強度提升至20特斯拉，這是全球同類磁體創造的最強磁場，為建設強磁場托卡馬克聚變能示范電廠奠定了基礎。

兩家機構正在開展強磁場托卡馬克聚變能技術研究。托卡馬克核聚變裝置的中央是一個環形真空室，外面纏繞著線圈，通電時裝置內部會產生很強的螺旋型磁場，用于約束等離子體。一般而言，托卡馬克裝置聚變功率與磁場強度的四次方成正比，即磁場強度增加1 倍，聚變功率可提升16倍。因此，對于某一聚變裝置，提高磁場強度可以大幅提高裝置功率；如果要建設某一功率的聚變裝置，提高磁場強度能夠大幅縮小聚變裝置的規模。

兩家機構正在合作建設名為SPACE的首座聚變示范電廠。SPACE是一座緊湊的強磁場聚變示范裝置，其大小相當于一座現有的中等規模聚變裝置，大半徑為1.65 米，小半徑為0.5 米，環形磁場強度為12 特斯拉，等離子體電流強度為7.5 兆安培，聚變功率為5 萬～10 萬千瓦。預計SPACE 將于2025 年實現聚變反應的能量凈輸出。兩家機構還計劃于21世紀30年代初建成首座聚變電廠。

2 其他國家聚變能研發進展

英國、法國、加拿大和澳大利亞等國政府和企業也在大力推進聚變能研究，多家企業近期宣布取得重大進展。

2.1 英國

英國政府和相關私營企業正在穩步推進聚變能研發。商業、能源和產業戰略部2021 年10月發布《英國聚變能發展戰略》報告，為英國實現聚變能商業化應用指明方向，并設定兩個具體目標：一是建成“用于能源生產的球形托卡馬克”（STEP）原型聚變電廠，實現并網發電，以驗證聚變能發電的商業可行性；二是建立英國聚變產業集群，未來實現聚變能技術出口?？ɡ漳肪圩兡苤行暮蛢杉宜綘I企業（即托卡馬克能源公司和第一光聚變公司）近期也宣布其聚變能研究取得重要成果。

2.1.1 STEP原型電廠

STEP 建設計劃是英國當前最重要的聚變能國家計劃，主要由英國原子能管理局負責，2019 年啟動，目標是2040 年前建成一座原型聚變電廠。

STEP 將采用球型托卡馬克設計，其建設計劃將分為三個階段：第一階段是到2024 年完成概念設計，包括電廠的大致規模及主要系統設計；第二階段將進行工程設計及技術研發，并取得啟動建設所需的所有審批許可；第三階段將正式開始原型電廠建設。目前尚處于第一階段，即開展概念設計和選址工作。英國政府迄今已明確五個候選廠址，預計2022 年12 月選定最終廠址。

2.1.2 卡勒姆聚變能中心

英國卡勒姆聚變能中心2022年2月宣布，歐洲聯合環（JET）在近期實驗中創造了新的聚變能產生紀錄，在5秒（聚變實驗的持續時間）內產生59 兆焦能量，證明了聚變能在提供安全且可持續低碳能源方面的潛力。之前的紀錄是歐洲聯合環于1997年創造的22兆焦。此次實驗期間的平均聚變功率約為1.1萬千瓦，未超過1997年創造的1.6萬千瓦功率紀錄。

歐洲聯合環位于牛津郡卡勒姆聚變能中心，1983年投運，是目前全球規模最大、功率最強的在運托卡馬克研究裝置，大半徑3 米，小半徑1.25 米，最大等離子體電流7 兆安培，最大環形磁場強度3.5特斯拉。

2.1.3 托卡馬克能源公司

托卡馬克能源公司2022年3月宣布，其原型聚變堆ST40已實現1億℃的等離子體溫度。這是太陽中心溫度的7倍，并且是實現受控核聚變必須達到的溫度。這是球形托卡馬克裝置首次達到這一重要里程碑。

托卡馬克能源公司正在開展帶有高溫超導磁體的球形托卡馬克研究，ST40 是該公司建成的第二座研究裝置。該公司正在建設一座帶有整套磁體的測試和示范系統，未來將能夠測試所有高溫超導磁體的相互作用，并能夠首次示范這些磁體在托卡馬克系統中的應用。該系統擬于2022年建成投運。該公司的目標是在21世紀30年代初完成聚變能技術的示范。

2.1.4 第一光聚變公司

第一光聚變公司2022 年4 月宣布，彈丸聚變能研究設施近期首次實現了聚變反應，并且這一結果已得到英國原子能管理局的獨立核實。

彈丸聚變是一種新型慣性聚變能技術。第一光聚變公司認為這是一條最快、最簡便且最廉價的聚變能商業化路徑，因為這一技術不需要使用復雜且昂貴的激光器或磁體來產生或維持聚變條件，而是使用高速彈丸撞擊靶丸，使靶丸內部的燃料發生內爆，進而引發聚變反應。

實現彈丸聚變的一項關鍵技術是靶丸設計（詳見圖3）。除了裝載燃料，靶丸必須還必須發揮放大器作用。放大器作用體現在兩個方面，一是放大彈丸撞擊導致的壓力，進而向燃料傳導更大壓力；二是使燃料承受來自多個方向的壓力，而不是僅承受來自撞擊方向的壓力，這一點對于聚變反應能否實現十分關鍵。

在近期實現了聚變反應的實驗中，第一光聚變公司使用其大型兩級超高速氣體槍向含有燃料的靶丸發射彈丸。彈丸在與靶丸撞擊前的速度達到了每秒6.5千米。由于靶丸的獨特設計能夠放大這種撞擊效應，燃料在內爆時的速度達到每秒70千米以上。

圖3 第一光聚變公司靶丸設計

同行評審發現，彈丸聚變能技術的平準化發電成本將低于每千瓦時0.05美元，與可再生能源的成本相當。第一光聚變公司計劃在21世紀30年代初建設一座15萬千瓦的中試聚變電廠。該電廠的造價將不到10 億美元，能夠每30 秒“點火”一次。

2.2 法國

法國卡達拉奇正在開展一個重大國際合作項目，即國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目。該項目共有七個參與方，即歐盟、中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國，目標是建設一座能產生50萬千瓦聚變能的托卡馬克聚變實驗堆，研究氘氚聚變等離子體性質，發展核聚變工程聚變中子輻照下的材料特性，探索和平利用聚變能發電的科學和工程技術可行性，為最終實現建造商用聚變堆的目標奠定堅實基礎。ITER 的造價估計為200 億歐元（226 億美元），其中約一半由歐盟承擔，其他六個參與方分擔另一半。

根據ITER 組織公布的時間表，第一個等離子體計劃將于2025 年實現，氘氚聚變實驗將于2035年開始。

2.3 加拿大

加拿大通用聚變公司2022年1月宣布“磁化靶”技術研究取得里程碑式成果：等離子體壓縮原型裝置已成功示范“磁化靶”聚變技術的關鍵要素。這座原型裝置2021 年初投入運行，可在數十毫秒內驅動大型液體渦流腔發生有力但形狀精確的對稱塌縮。

通用聚變公司一直致力于“磁化靶”聚變能技術研究。這一技術的主要原理是：將氘氚等離子體團注入到一個液態金屬的自旋渦流中，然后用一組活塞向內擠壓。如果這種擠壓在幾微秒內完成，等離子體就會向心聚爆，達到發生聚變反應的條件。聚變反應會產生中子，中子能夠與液態金屬中的鋰發生反應，生成更多的氚。

通用聚變公司與英國原子能管理局2021年6月宣布簽署合作協議，未來將在卡勒姆園區建設并運營一座聚變示范廠。該廠的規模相當于商業中試廠的70%。它將在“電廠相關”環境中建立聚變反應條件，但不會用于發電。示范電廠將每天發射一次等離子體脈沖，并使用氘燃料。商業中試廠將使用氘氚燃料，并將每秒發射一次等離子體脈沖。

2.4 澳大利亞

澳大利亞HB11 能源公司2022 年3 月宣布，已完成全球首次原理性實驗，證明使用拍瓦級激光器促發的氫硼聚變反應，可以高效產生α 粒子，其α粒子通量是預期通量的10倍。相關研究成果已刊載在近期出版的科技期刊《應用科學》（Applied Sciences）上。

HB11能源公司研發的氫硼聚變反應堆如圖4所示。這是一個半徑至少為1米的中空金屬球體，內部裝有電容線圈和氫硼燃料芯塊。球體上的兩個位置有孔，用于放置一對激光器。其中一個激光器發射的激光用于加速氫原子，使其與硼發生碰撞，激發聚變反應；另一個發射的激光用于激發電容線圈，產生用于約束等離子體的強磁場。應當注意的是，HB11能源公司準備直接利用聚變反應產生的α 粒子（帶有正電荷）發電。

圖4 HB11能源公司氫硼聚變反應堆

3 小結

聚變能是能源領域的游戲規則改變者，其商業化應用面臨著極大的工程和技術挑戰。經過數十年的發展，聚變能技術已成為全球能源技術的研發熱點之一。近年來，除了傳統托卡馬克磁約束聚變和慣性約束聚變能研究取得重要進展，全球還涌現出有助于實現聚變電廠小型化的新技術方案，例如強磁場托卡馬克、彈丸聚變能技術、脈沖非點火聚變能技術、“磁化靶”技術。聚變能技術的研究范圍也得到拓展，從傳統的氘氚聚變拓展到氫硼聚變和氘氦-3聚變。

美國認為，聚變能商業化應用研究已達到一個重要節點，未來十年是聚變能發展的關鍵時期，因此美國政府將推動相關各方加強合作，形成合力，共同推進聚變能的商業化進程。