可控核聚變產(chǎn)業(yè)市場分析

可控核聚變產(chǎn)業(yè)市場分析1.可控核聚變：人造太陽，冉冉升起萬物生長靠太陽?？煽睾司圩?，本質(zhì)上是在地球上模擬太陽內(nèi)部發(fā)生的氫核聚變反應(yīng)。太陽為人類的生存?zhèn)鬏斄嗽丛床粩嗟哪茉?，不管是光伏、風(fēng)電，本質(zhì)上都來自太陽能，為了獲得理想的、可持續(xù)的能源，人類不斷地向太陽探求，嘗試用對(duì)物理本質(zhì)的理解把太陽“搬運(yùn)”到地球上來。1.1.從化石能源到核能，從裂變到聚變數(shù)千年來，人類經(jīng)歷了從化石燃料到核能的發(fā)展歷程，高熱值、長壽命、低碳化成為能源選擇的主要標(biāo)準(zhǔn)。相比其他能源，核能熱值高，燃料可開采年限長，清潔程度高，是目前人類可探索到最理想的終極能源?？煽睾肆炎?、可控核聚變是和平利用核能的兩種方式。裂變開發(fā)早，技術(shù)成熟，目前已發(fā)展至第四代反應(yīng)堆。聚變反應(yīng)條件苛刻，仍處實(shí)驗(yàn)階段。不過，相比裂變，聚變放能多、原料豐富、放射性廢物少、安全性高，是我國核能發(fā)展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的高階階段。核能本質(zhì)上是對(duì)于核反應(yīng)的能量加以利用。核反應(yīng)是原子核之間的反應(yīng)，即核內(nèi)質(zhì)子、中子重新排布后形成新的元素；反應(yīng)前后原子核總質(zhì)量不同，其輕微虧損會(huì)轉(zhuǎn)化為能量而釋放。其中，裂變可以理解為“打碎鏡子”，在中子轟擊下，鈾原子核會(huì)變成另外兩個(gè)元素的原子核和中子。聚變可以理解為“破鏡重圓”，由兩個(gè)氫元素的原子核發(fā)生碰撞，生成氦原子、中子。1.2.氘、氚作燃料，質(zhì)量變能量可控核聚變以氫為原料，原因在于氫的比結(jié)合能最小，核內(nèi)質(zhì)子、中子結(jié)合得最不牢固，越容易與其他原子核結(jié)合。氫的同位素有氕H、氘D、氚T，在眾多組合中，氘氚聚變（DT聚變）反應(yīng)截面最大，能夠發(fā)生反應(yīng)的范圍最大，所需促使原子核結(jié)合的外力（加熱、加壓）最小，反應(yīng)難度最小，因此是目前最為主流的技術(shù)路線。氘氚燃料的獲取較為容易。其中，氘可通過電解重水得到，可供人類使用百億年。氚雖然在自然界中總量少且分散，但可在聚變堆內(nèi)用中子轟擊鋰6產(chǎn)生?？煽睾司圩兛煞譃槿?，反應(yīng)難度遞增，也越來越清潔。第一代為氘氚、氘氘反應(yīng)，門檻相對(duì)較低，分別需要達(dá)到約1.5億度、6億度的高溫。第二代為氘氦-3反應(yīng)，需要維持約8億度的高溫環(huán)境。第三代為氦-3氦-3反應(yīng)，反應(yīng)條件極為苛刻，需要達(dá)到20億度的超高溫，盡管如此，由于該反應(yīng)不產(chǎn)生中子，不存在中子導(dǎo)致的材料損傷、放射性問題，清潔程度最高，仍然是當(dāng)前研究的方向之一。1.3.聚變?nèi)胤e：高溫×高壓×約束時(shí)間聚變反應(yīng)發(fā)生的條件較為嚴(yán)苛，需要足夠高的密度（n）、極高的溫度（T）和較長的約束時(shí)間（τE）。其中，高溫（T）確保了粒子有足夠的速度，來克服庫倫斥力并相互靠近，至少要達(dá)到1億度；密度（n）的提高增加了粒子碰撞的概率，至少要達(dá)到1020m-3；能量約束時(shí)間（τE）用來衡量熱損失的時(shí)間，該值越高意味著能量損失越慢，至少要＞3s。將溫度、密度、能量約束時(shí)間相乘，得到聚變?nèi)胤e（n*T*τE），該值可用于判斷聚變效果。從另一個(gè)角度看，若想實(shí)現(xiàn)有效的聚變，輸出能量勢必要大于輸入能量，因此定義能量增益因子Q（聚變輸出功率/外部加熱功率）,作為判斷聚變成功與否的指標(biāo)。聚變?nèi)胤e越大，能量增益因子Q值也越大，兩者均需達(dá)到一定門檻，聚變才有效。這一門檻取決于聚變判據(jù)：1）根據(jù)勞森判據(jù)，只有聚變產(chǎn)生的功率能夠抵消外部加熱的功率，才能實(shí)現(xiàn)盈虧平衡，此時(shí)聚變?nèi)胤e為3×1021m-3·s·KeV，對(duì)應(yīng)Q=1。2）根據(jù)點(diǎn)火判據(jù)，無需外界輸入能量，聚變裝置就能自行運(yùn)轉(zhuǎn)。在這種情況下，聚變?nèi)胤e至少要達(dá)到1022，對(duì)應(yīng)Q=∞。從目前的工程實(shí)踐來看，勢必要有外部能量的輸入來維持聚變堆的運(yùn)轉(zhuǎn)。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）制定了聚變?nèi)胤e＞6×1021m-3·s·KeV以及Q＞10的目標(biāo)，旨在驗(yàn)證聚變發(fā)電的可行性。未來，如果綜合考慮電-熱70%的加熱效率、聚變能-電能40%的發(fā)電效率，認(rèn)為三重積＞7.5×1021m3·s·KeV，對(duì)應(yīng)Q＞30時(shí)商用發(fā)電才算成熟。目前，主要的聚變堆仍在向Q=1邁進(jìn)。2.“人造太陽”極高溫、極高壓，地球上如何承載為使聚變條件達(dá)成，需要采用一定的約束方式，如引力約束、慣性約束、磁約束。1）引力約束：主要在太陽內(nèi)發(fā)生，核心是靠高壓。太陽內(nèi)部溫度只有1500萬度，但由于其質(zhì)量大、引力強(qiáng)，能夠?qū)湎蛱栔行臄D壓，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)的聚變。2）慣性約束：核心是靠粒子自身慣性，達(dá)成瞬時(shí)的高溫、高壓。首先利用驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生能量，沖擊裝有燃料的靶丸；靶丸中粒子由于具有慣性，無法迅速散布到周圍；此時(shí)粒子通過向心內(nèi)爆被壓縮到高溫、高壓狀態(tài)，從而發(fā)生聚變反應(yīng)。3）磁約束：核心是靠高溫，并用外界磁場對(duì)等離子體進(jìn)行約束，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)的反應(yīng)。其中等離子體是物質(zhì)的第四種形態(tài)，是原子的電子被剝離后，所形成的由正負(fù)離子組成的氣體狀物質(zhì)。地球的質(zhì)量僅為太陽的33萬分之一，引力遠(yuǎn)弱于太陽，無法產(chǎn)生與太陽等同的高壓環(huán)境，因而引力約束難以在地球上實(shí)現(xiàn)；慣性約束系瞬時(shí)發(fā)生，難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)輸出；磁約束是目前實(shí)現(xiàn)聚變能開發(fā)的最有效途徑。2.1.慣性約束：激光驅(qū)動(dòng)略勝一籌慣性約束（ICF）的主要驅(qū)動(dòng)方式包括高功率激光驅(qū)動(dòng)、Z箍縮驅(qū)動(dòng)和重離子束驅(qū)動(dòng)等。目前激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變（LICF）最為成熟，可分為直接驅(qū)動(dòng)、間接驅(qū)動(dòng)兩種方式。直接驅(qū)動(dòng)是指激光束直接照射內(nèi)爆靶球，壓縮聚變?nèi)剂?，從而到達(dá)點(diǎn)火、自持燃燒條件。而在間接驅(qū)動(dòng)中，激光先照射高Z材料組成的黑腔，黑腔產(chǎn)生X射線，再由X射線照射靶丸，使得靶丸發(fā)生內(nèi)爆，最終實(shí)現(xiàn)聚變。由于間接驅(qū)動(dòng)具有較好的輻照均勻性，為當(dāng)前主流的點(diǎn)火方式。激光慣性約束的優(yōu)勢在于裝置體積小，劣勢主要有兩個(gè)方面：其一，難以適用于核電站?？梢詫⒓す鈶T性約束理解為用激光束引爆一個(gè)小型氫彈，反應(yīng)在瞬時(shí)內(nèi)發(fā)生并結(jié)束，同時(shí)釋放巨大的能量，因此激光慣性約束更適用于軍工、國防領(lǐng)域。如果應(yīng)用于核電站，則需要不斷打入激光來使得聚變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，甚至達(dá)到10發(fā)/秒的頻率，這對(duì)于當(dāng)前激光技術(shù)仍是較大的挑戰(zhàn)。其二，能量轉(zhuǎn)化效率低。激光慣性約束聚變需要先通電產(chǎn)生激光，再將激光打向靶丸，這一過程的電-光轉(zhuǎn)化效率僅為1%。而與之相對(duì)的磁約束，從通電到加熱燃料，電-熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%-60%。近年來，Z箍縮驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變（Z-ICF）也逐漸成為慣性約束的重要發(fā)展方向。箍縮是一種“金屬絲電爆炸現(xiàn)象”，主要過程如下：電流通過金屬柱形薄套筒→套筒形成等離子體→在洛倫茲力下向中心壓縮爆炸。Z箍縮慣性約束聚變就是通過這種“內(nèi)爆”產(chǎn)生的力量來壓縮靶丸，創(chuàng)造高溫、高壓環(huán)境從而實(shí)現(xiàn)聚變。相較激光慣性約束，Z箍縮慣性約束的主要優(yōu)點(diǎn)在于能量轉(zhuǎn)化效率更高。在Z箍縮慣性約束的基礎(chǔ)上，我國開發(fā)出了Z箍縮驅(qū)動(dòng)聚變-裂變混合堆（Z-FFR）。該混合堆由Z箍縮驅(qū)動(dòng)器、能源靶、次臨界能源包層構(gòu)成，多出來的一層“次臨界能源包層”可以理解為一個(gè)“裂變堆”。聚變產(chǎn)生的高能中子將在裂變堆中減速，然后轟擊U235、U238來發(fā)生裂變。2.2.磁約束：托卡馬克一枝獨(dú)秀磁約束的主要裝置包括磁鏡、仿星器、托卡馬克（Tokamak）等。其中，托卡馬克是目前實(shí)現(xiàn)粒子約束的主流裝置，約束效果好、裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。2.2.1.托卡馬克工作原理：獲得等離子體→持續(xù)加熱至高溫→發(fā)生聚變反應(yīng)→實(shí)現(xiàn)自持燃燒托卡馬克的工作原理可以分為四個(gè)步驟：獲得等離子體、持續(xù)加熱至高溫、發(fā)生聚變反應(yīng)、實(shí)現(xiàn)自持燃燒。1）獲得等離子體：在氘、氚燃料進(jìn)入裝置后，首先利用磁場生成的電場擊穿燃料，將氘氚原子核的核外電子剝離，使其成為含原子核、電子的等離子體。2）持續(xù)加熱至高溫：利用中央螺線管的歐姆加熱將真空室內(nèi)溫度加熱至2000萬度，再利用輔助加熱系統(tǒng)加熱，最終達(dá)到約1億度的高溫條件。3）發(fā)生聚變反應(yīng)：用磁場對(duì)等離子體產(chǎn)生約束，使之懸空高速旋轉(zhuǎn)，在高溫條件下持續(xù)反應(yīng)。4）實(shí)現(xiàn)自持燃燒：反應(yīng)后，產(chǎn)物α粒子由于帶正電，能夠被約束在等離子體內(nèi)，并繼續(xù)為等離子體加熱。產(chǎn)物中子不帶電，無法受到約束，將轟擊內(nèi)壁中的鋰而產(chǎn)氚。這時(shí)，再通過燃料系統(tǒng)注入氘，并不斷為磁體系統(tǒng)的線圈通電。至此，高溫、磁場、原料再次兼?zhèn)洌磻?yīng)周而復(fù)始。聚變發(fā)電依賴于反應(yīng)產(chǎn)生的中子，中子在裝置內(nèi)壁減速直到完全停止，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再由冷卻水帶走，與熱交換器（蒸汽發(fā)生器）相連換熱，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。2.2.2.托卡馬克五大主體結(jié)構(gòu)：真空室、磁體系統(tǒng)、包層模塊、偏濾器、真空杜瓦本質(zhì)上，托卡馬克是一個(gè)將高溫等離子體約束在中央的裝置，因此需要設(shè)置磁體系統(tǒng)（Magnets），用磁力約束等離子體。該反應(yīng)需要在真空環(huán)境內(nèi)發(fā)生，為此設(shè)置真空室（VacuumVessel），同時(shí)真空室還充當(dāng)了支撐結(jié)構(gòu)的角色。反應(yīng)需維持在高溫，還會(huì)產(chǎn)生一定的中子輻射，真空室的材料和結(jié)構(gòu)難以應(yīng)對(duì)這一嚴(yán)苛的環(huán)境，因此在真空室內(nèi)側(cè)設(shè)置包層模塊（Blankets），來實(shí)現(xiàn)熱屏蔽、輻射屏蔽。未來，包層模塊還將承擔(dān)產(chǎn)氚功能，為聚變堆貢獻(xiàn)源源不斷的氚燃料。此外，反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)，如果飛入等離子體，將會(huì)妨礙其穩(wěn)定運(yùn)行，因此在裝置的最底部裝有一圈偏濾器（Divertor），發(fā)揮類似“煙灰缸”的作用，來排出雜質(zhì)、氦灰。最后，在裝置的最外側(cè)，裝有真空杜瓦（Cryostat）。真空杜瓦類似于“保溫殼”，能夠保證裝置內(nèi)部的所有部件在工作溫度運(yùn)行。總而言之，托卡馬克采用了以堆芯等離子體為中心，從內(nèi)到外依次是包層模塊→真空室→磁體系統(tǒng)→真空杜瓦的“洋蔥狀”包裹結(jié)構(gòu)。磁體系統(tǒng)是托卡馬克最重要的部件之一，本質(zhì)上是利用多種線圈對(duì)等離子體進(jìn)行約束。首先，環(huán)向場線圈會(huì)產(chǎn)生“環(huán)向”磁場；其次，中央螺線管將推動(dòng)環(huán)向等離子體電流的形成，環(huán)向等離子體電流會(huì)再形成一個(gè)“極向”磁場；兩個(gè)方向的磁場共同扭成“螺旋狀”磁場，使得等離子體無法從水平、垂直方向飛出。不過，由于環(huán)向磁場密度分配不均，等離子體仍有外擴(kuò)趨勢，因此在外側(cè)設(shè)置極向場線圈，再產(chǎn)生一個(gè)外部的“極向”磁場，用來控制等離子體和容器壁的距離。此外，為了更精細(xì)地控制等離子體，還可采用校正場線圈、真空室內(nèi)部線圈等。包層模塊也是托卡馬克最重要的部件，由“馬賽克”狀的一個(gè)個(gè)模塊構(gòu)成。每個(gè)模塊可分為第一壁、屏蔽模塊兩個(gè)部分。第一壁直接面對(duì)等離子體，屏蔽模塊緊隨其后，主要提供核屏蔽以及冷卻水。未來包層模塊將升級(jí)為增殖包層（BreederBlanket，BB），相比之前加入了產(chǎn)氚功能。該功能由增殖單元（BreederUnits，BU）實(shí)現(xiàn)，由產(chǎn)物中子和鋰6發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)氚。氚增殖劑、中子倍增劑、冷卻結(jié)構(gòu)是增殖單元的三個(gè)主要組成部分。氚增殖劑是含有鋰的小球。中子倍增劑是能使中子實(shí)現(xiàn)增殖的材料，主要是為了防止產(chǎn)物中子損耗導(dǎo)致的產(chǎn)氚效率降低。同時(shí)，為了防止熱量堆積，該模塊還設(shè)置了冷卻結(jié)構(gòu)，主要采用氦冷、水冷等方式降溫散熱。此外，增殖單元產(chǎn)生的氚并不能自動(dòng)返回聚變堆，需要通過配套系統(tǒng)中的氚工廠來進(jìn)一步處理。目前，增殖包層仍處于研發(fā)階段。為驗(yàn)證這一技術(shù)的可行性，ITER設(shè)置了實(shí)驗(yàn)包層計(jì)劃（TestBlanketModule,TBM），參與其中的國家將選擇不同技術(shù)路線，設(shè)計(jì)增殖包層所需材料、結(jié)構(gòu)，最終在ITER中完成測試。按照氚增殖劑的不同，增殖包層可分為固態(tài)、液態(tài)兩種，考慮到當(dāng)前的工程難度，大部分成員國在TBM中選擇了固態(tài)包層方案。我國采用了固態(tài)氦冷球床方案（HCCB），具體結(jié)構(gòu)由U形第一壁、上下蓋板、增殖單元、背板組成。偏濾器采用“V”字幾何結(jié)構(gòu)，由拱頂、內(nèi)部垂直部件、外部垂直部件、盒體構(gòu)成。在運(yùn)行中，雜質(zhì)、氦灰將在拱頂處改道，并在磁力線作用下，順著偏濾器V字形的幾何結(jié)構(gòu)從兩側(cè)分流，最后由偏濾器下部的抽氣泵抽走。在這一過程中，拱頂、靶板直接面向等離子體，承受高熱負(fù)荷，其中靶板熱負(fù)荷高達(dá)20MW/m2，服役環(huán)境在裝置中最為嚴(yán)苛，必須通過高壓水流排熱。除此之外，托卡馬克還包括加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)等配套系統(tǒng)。1）加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：主要用于加熱氘氚燃料，包括中性束注入加熱系統(tǒng)、離子回旋波加熱系統(tǒng)以及電子回旋波加熱系統(tǒng)。2）低溫系統(tǒng)：主要為超導(dǎo)磁體等創(chuàng)造和維持低溫環(huán)境。由氦氣和氮?dú)庵评錂C(jī)組成，并通過分配系統(tǒng)的進(jìn)行分配。3）冷卻水系統(tǒng)：將等離子體中產(chǎn)生的熱量排放到環(huán)境中。4）診斷系統(tǒng)：測量等離子體的溫度、密度等，以及時(shí)調(diào)整控制。氚工廠是未來聚變堆必備的配套系統(tǒng)，其產(chǎn)氚效率將直接影響燃料供應(yīng)的穩(wěn)定性。氚工廠主要與增殖包層配合工作，將其中產(chǎn)生的氚提取出來，再重新導(dǎo)入聚變堆，對(duì)應(yīng)“外燃料循環(huán)系統(tǒng)”。此外，由于氚燃燒效率低，排灰氣體中仍有可用的氚燃料，這部分也可以通過氚工廠進(jìn)行提取，對(duì)應(yīng)“內(nèi)燃料循環(huán)系統(tǒng)”。同時(shí)，氚具有放射性，如果泄露可能會(huì)導(dǎo)致安全事故，為此需要設(shè)置“氚安全與包容系統(tǒng)”。2.2.3.托卡馬克的研制重點(diǎn)：超導(dǎo)材料、面向等離子體材料、增殖單元材料在托卡馬克中，一方面，強(qiáng)大的磁體系統(tǒng)是提高等離子體約束水平的關(guān)鍵，另一方面，嚴(yán)苛的反應(yīng)環(huán)境可能會(huì)對(duì)于面向等離子體的材料造成損傷。為此，磁體系統(tǒng)、面向等離子體材料（PFMs）是當(dāng)前研發(fā)制備的重點(diǎn)。未來，聚變堆將加入氚增殖功能，這將由包層中的增殖單元實(shí)現(xiàn)，其中氚增殖劑、中子倍增劑制備復(fù)雜，性能對(duì)于產(chǎn)氚效率影響大，目前仍處研發(fā)階段。1）磁體系統(tǒng)：傳統(tǒng)銅導(dǎo)線在通電后會(huì)產(chǎn)生電阻，發(fā)熱嚴(yán)重，無法維持長脈沖運(yùn)行。而超導(dǎo)材料在達(dá)到一定溫度后，電阻會(huì)突然消失，從而能夠提供更強(qiáng)的磁場。根據(jù)超導(dǎo)性顯現(xiàn)溫度的不同，以“麥克米蘭極限”（39K）為界，高于的為高溫超導(dǎo)材料（HTS），反之為低溫超導(dǎo)材料（LTS）。低溫超導(dǎo)材料主要包括鈮鈦（NbTi）與鈮三錫（Nb3Sn），高溫超導(dǎo)材料以BSCCO（第一代）、REBCO（第二代）為代表，兩者均處于液氮溫區(qū)（77K）其中Bi-2223/Ag-Au、Bi-2212、YBCO發(fā)展較快。為達(dá)到超導(dǎo)工作溫度，超導(dǎo)材料需加工成CICC(Cable-in-ConduitConductor)鎧裝超導(dǎo)導(dǎo)體的形式。超導(dǎo)材料（也稱超導(dǎo)線材、電纜）多為圓線、帶材，在繞制成線圈后，會(huì)被裝在不銹鋼管內(nèi)，之后在管內(nèi)通入液氦，通過液氦與電纜的直接接觸，來創(chuàng)造超導(dǎo)材料所需的低溫環(huán)境。低溫超導(dǎo)材料的主要問題在于性能。低溫超導(dǎo)材料的臨界磁場低，電流密度超過一定數(shù)值即失去超導(dǎo)態(tài)。因此，為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)聚變功率，聚變堆的規(guī)模不得不擴(kuò)大。且低溫超導(dǎo)材料臨界溫度低，需要用昂貴的液氦進(jìn)行冷卻，這導(dǎo)致冷卻成本高昂。高溫超導(dǎo)材料主要問題在于加工。高溫超導(dǎo)材料本質(zhì)上屬于氧化物陶瓷，相比鈮鈦、鈮三錫等合金材料，在經(jīng)歷拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等加工工序后，超導(dǎo)性能容易受損，且有可能會(huì)發(fā)生斷裂，難以形成柔韌的長導(dǎo)線。此外，高溫超導(dǎo)材料成本的降低對(duì)于聚變堆商業(yè)化具有關(guān)鍵意義。鉍系BSCCO的最低價(jià)格可望達(dá)到50美元/千安米，而釔系YBCO可下降為15-25美元/千安米。2）面向等離子體材料（PFMs）：是指直接面對(duì)一億攝氏度高溫等離子體的材料，主要有包層第一壁、偏濾器靶板用材。由于面臨熱負(fù)荷、中子輻照、等離子體輻照三重負(fù)載，對(duì)材料性能的要求較為嚴(yán)苛。①高熱負(fù)荷：商業(yè)聚變堆第一壁的工作的溫度在1000℃以上，等離子體破滅時(shí)高達(dá)2000~3000℃。故需選用熔點(diǎn)高、傳熱性好、不易軟化的材料。②強(qiáng)中子輻照：氘氚聚變產(chǎn)生的14MeV高能量中子，會(huì)對(duì)第一壁材料進(jìn)行沖擊，導(dǎo)致其嬗變成其他不穩(wěn)定核素。故需選擇低活化材料。③強(qiáng)等離子體輻照：真空室中氘/氚等離子體的輻照可能會(huì)引發(fā)內(nèi)壁材料濺射。若濺射的產(chǎn)物進(jìn)入等離子體，可能會(huì)對(duì)等離子體造成干擾，導(dǎo)致其破滅，甚至致使等離子體撞向第一壁，引發(fā)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，PFMs若與氚反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致聚變反應(yīng)物減少。因此需選擇濺射率低、不易與氫反應(yīng)的材料。PFMs的主要可選材料有碳基材料、鈹、鎢。碳基材料具有優(yōu)異的熱力學(xué)性能，是最早應(yīng)用于包層第一壁、偏濾器靶板的材料。但碳基材料氫吸附力強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致原料被損耗，所以逐漸被其他材料取代。鈹原子序數(shù)低，質(zhì)量輕，濺射后對(duì)等離子體干擾小，目前主要作為包層第一壁材料。鎢最大的優(yōu)勢在于熔點(diǎn)(3400℃)高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低，所以適用于熱流沖擊最大的偏濾器靶板。同時(shí)，鎢也越來越成為包層第一壁材料的選擇。原先的托卡馬克中之所以沒有廣泛采用鎢，主要是因?yàn)榈入x子體約束的技術(shù)尚不成熟。面對(duì)高達(dá)100eV的等離子體能量，鎢的自濺射產(chǎn)額＞1，容易導(dǎo)致濺射超標(biāo)。而隨著等離子體約束水平的提高，等離子體邊緣能量基本能控制在幾十eV以內(nèi)，鎢的濺射問題不再成為主要困擾。此外，液態(tài)金屬是PFMs的第二條路線，其能夠以流動(dòng)形式自我更新，規(guī)避了固態(tài)材料壽命短、需替換的缺點(diǎn)。液態(tài)鋰是當(dāng)前主要的可選材料之一，其原子序數(shù)低，濺射后對(duì)等離子體干擾小；可以承受的最高熱負(fù)荷為50MW/m2，高于鎢材料20MW/m2的極限。然而，鋰較為活潑，在高溫下易對(duì)裝置材料造成腐蝕，腐蝕產(chǎn)物可能會(huì)阻塞液態(tài)鋰流動(dòng)的管道。同時(shí)，液態(tài)鋰如若泄露在等離子體、空氣中，均有可能引發(fā)安全事故，從而限制了其大范圍應(yīng)用。目前，液態(tài)鋰主要用于限制器（limiter）第一壁，在我國HT-7、EAST等裝置中進(jìn)行過試驗(yàn)。3）增殖單元材料：為氚增殖劑、中子倍增劑用材。氚增殖劑可分為固態(tài)、液態(tài)兩類。固態(tài)氚增殖劑多使用硅酸鋰（Li4SiO4）、鈦酸鋰（Li2TiO3）等組裝成的“鋰陶瓷球床”；而液態(tài)氚增殖劑多使用金屬鋰和鉛組合成的“液態(tài)金屬共晶體鋰-鉛”（LiPb）。不同氚增殖劑對(duì)應(yīng)不同的中子倍增劑材料，液態(tài)氚增殖劑LiPb自身就可實(shí)現(xiàn)中子倍增，而固態(tài)氚增殖劑則需匹配其他材料。Be由于反應(yīng)截面大，易與中子發(fā)生反應(yīng)，因而是中子倍增劑的優(yōu)選，具體可采用Be小球或Be12Ti。Be小球價(jià)值量高、制備工藝難，我國核工業(yè)西南物理研究院采用等離子體電極旋轉(zhuǎn)工藝（REP）制成，成為日本后第二個(gè)掌握該技術(shù)的國家。不過，Be小球各方面性能仍有待研究，特別是中子轟擊后的輻照性能、熱導(dǎo)率、機(jī)械性能、氚氣體流動(dòng)性、安全防護(hù)等。2.3.聚變裝置發(fā)展史：邁向工程可行性驗(yàn)證不論是采用慣性約束方式還是磁約束方式，聚變裝置都是在不斷提升三重積，來驗(yàn)證聚變技術(shù)的科學(xué)和工程可行性。目前，磁約束總體處于從科學(xué)可行性驗(yàn)證邁向工程可行性驗(yàn)證的階段，慣性約束核聚變則還處于科學(xué)可行性驗(yàn)證階段，仍需工程技術(shù)的持續(xù)突破。2.3.1.慣性約束：NIF達(dá)成Q值約為1.5的成就激光慣性約束的發(fā)展受制于激光技術(shù)。1972年，美國加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)研究出了激光慣性約束的直接驅(qū)動(dòng)方式，但當(dāng)時(shí)激光能量在100kJ以下，很難實(shí)現(xiàn)聚變。1975年，激光慣性約束的間接驅(qū)動(dòng)方式在理論上被證實(shí)可行。在之后大量工程研究的基礎(chǔ)上，美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)于2009年建成，并于2010年開始進(jìn)行點(diǎn)火物理實(shí)驗(yàn)。2022年12月13日，美國NIF宣告實(shí)現(xiàn)了Q值（Gtarget）約為1.5的成果，輸入能量為2.05MJ，產(chǎn)生能量為3.15MJ，突破了Q=1的瓶頸。但實(shí)際上，該結(jié)果只是聚焦于黑腔，并未考慮整個(gè)系統(tǒng)的能量增益。2.05MJ僅為激光照射到黑腔上的能量，考慮到較低的電能-激光轉(zhuǎn)化效率，完成這次實(shí)驗(yàn)總共消耗了322MJ，如果將這一部分考慮在內(nèi)，NIF距離工程增益Q＞1仍有較遠(yuǎn)距離。我國激光慣性約束的研究與美國基本同步。1964年王淦昌院士提出利用激光打靶產(chǎn)生中子的實(shí)驗(yàn)想法，自此激光慣性約束研究開始，并由中國工程物理研究院（中物院）領(lǐng)導(dǎo)。經(jīng)過數(shù)十年的研究沉淀，我國自建的聚變裝置神光-II于2000年正式投入使用，神光-III主機(jī)激光裝置于2015年全面投入使用。2020年的最新記錄表明，神光-III的輸出功率已經(jīng)可達(dá)180KJ。在Z箍縮慣性約束聚變方面，我國的研究較為深入。2002年，中物院開始研制驅(qū)動(dòng)電流達(dá)8-10MA的PTS(“聚龍一號(hào)”)裝置,目的是為了初步掌握驅(qū)動(dòng)器的建造方法，該裝置最終于2013年建成。此后，基于這一技術(shù)，我國逐漸形成了聚變-裂變混合堆的概念。不過，Z箍縮物理問題復(fù)雜，目前的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還無法對(duì)聚變點(diǎn)火進(jìn)行直接的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2.3.2.磁約束：國家級(jí)科研院所主導(dǎo)，商業(yè)化公司切入賽道磁約束裝置規(guī)模大，主要由國家組織建設(shè)。磁約束以托卡馬克為主，最初由蘇聯(lián)領(lǐng)跑。自20世紀(jì)50年代起，蘇聯(lián)先后研制出了T-1～T-3裝置，取得了電子溫度達(dá)600～800eV的成就，為各國所矚目。自20世紀(jì)70年代起，各國紛紛開始研制大型托卡馬克裝置。美國普林斯頓大學(xué)的等離子體物理研究所（PPPL）率先將仿星器C改裝成為托卡馬克ST，復(fù)刻了蘇聯(lián)T-3的成果。在此之后，美國、歐洲、日本、蘇聯(lián)又推出了多種托卡馬克裝置，分別是美國普林斯頓的托卡馬克聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)堆（TFTR）、歐洲卡勒姆（Culham）的歐洲聯(lián)合環(huán)形加速器（JET）、日本那珂市的日本圓環(huán)-60（JT-60）、前蘇聯(lián)的T-15，這些裝置在聚變?nèi)胤e上實(shí)現(xiàn)了從1017到1020的飛躍，與勞森判據(jù)所要求的1021已經(jīng)十分接近。20世紀(jì)80年代，國際熱核實(shí)驗(yàn)堆(ITER，InternationalThermonuclearExperimentalReactor）應(yīng)運(yùn)而生，希望在各國的通力合作下，建成一個(gè)托卡馬克裝置，來驗(yàn)證聚變的工程可行性。ITER于20世紀(jì)90年代完成概念與工程設(shè)計(jì)，并于21世紀(jì)初開始合作談判，歐洲、美國、中國、俄羅斯、日本、韓國這七方紛紛加入。ITER旨在實(shí)現(xiàn)Q=10的目標(biāo)，在輸入50MW的加熱功率后，產(chǎn)生500MW的聚變功率，成為全球首個(gè)達(dá)到勞森判據(jù)要求的裝置。21世紀(jì)以來，我國磁約束托卡馬克的研究加速，主要單位有核工業(yè)西南物理研究院、中科院等離子體物理研究所。核工業(yè)西南物理研究院位于成都，隸屬中核集團(tuán)，多年來逐步建成了中國環(huán)流器一號(hào)(HL-1，1984－1992)、中國環(huán)流器新一號(hào)（HL－1M，1994-2001）、中國環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）、中國環(huán)流器二號(hào)M（HL-2M）、中國環(huán)流三號(hào)等裝置。中科院等離子體物理研究所位于合肥，由中科院領(lǐng)導(dǎo)，主要的裝置有“東方超環(huán)”（EAST）。東方超環(huán)是世界上首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克，旨在實(shí)現(xiàn)等離子體的長脈沖穩(wěn)定運(yùn)行。截至目前，主流磁約束裝置的Q值均未超過1，最高記錄是JET于1997年實(shí)現(xiàn)的0.67，此后一直難以復(fù)現(xiàn)。此外，日本的JT-60U實(shí)現(xiàn)了1.25的能量增益，但僅為氘氘聚變換算至氘氚聚變所得到的等效增益。在下一階段，各國將開始建設(shè)自己的示范核電廠（DEMO），以驗(yàn)證聚變發(fā)電的可行性。目前，中國、歐盟、韓國、日本等已提出概念設(shè)計(jì)，分別為CFETR、EUDEMO、K-DEMO、JADEMO，預(yù)計(jì)將于2035年至2040年開始建設(shè)，并于2050年開始運(yùn)營。此后各國還將發(fā)展商業(yè)電站（PROTO）。此外，緊湊型托卡馬克日漸成為第二條發(fā)展路線。根據(jù)聚變功率公式P～β2B4V，聚變輸出功率正比于磁場強(qiáng)度的四次方、裝置體積的一次方，所以可以通過提升磁場強(qiáng)度來縮小裝置體積。高溫超導(dǎo)技術(shù)是提升磁場強(qiáng)度的主要方式，該技術(shù)的成熟使得托卡馬克的小型化成為可能。小型裝置建造成本低、研發(fā)周期短，一方面推動(dòng)了民營企業(yè)的入局，另一方面推動(dòng)了聚變研究的加速。20世紀(jì)90年代，英國卡勒姆聚變能源中心開發(fā)出了球形托克馬克裝置。球形托卡馬克與傳統(tǒng)托卡馬克構(gòu)成部分基本一致，僅利用球形設(shè)計(jì)來加強(qiáng)磁場利用率。英國TokamakEnergy、美國CFS（CommonwealthFusionSystems）是該領(lǐng)域的重要參與者。英國TokamakEnergy源自卡勒姆聚變能源中心，于2009年成立。2015年，公司率先建成了全球首臺(tái)完全高溫超導(dǎo)托卡馬克（ST25HTS），目前公司的裝置已迭代至ST40，未來還將繼續(xù)開展ST80-HTS計(jì)劃。美國初創(chuàng)公司CFS于2018年成立，并于三年后成功研發(fā)出了20特斯拉的高溫超導(dǎo)磁體，這是當(dāng)今世界上最強(qiáng)的核聚變磁體。在此基礎(chǔ)上，公司正在建設(shè)全高溫超導(dǎo)球形托卡馬克聚變堆SPARC。由于使用高溫超導(dǎo)材料YBCO，SPARC大小僅為ITER的2%。公司計(jì)劃于2025年在該裝置上實(shí)現(xiàn)Q＞2和聚變功率＞50MW的目標(biāo)。此后，公司還將建設(shè)商業(yè)示范堆ARC，計(jì)劃于2030年實(shí)現(xiàn)超過200MW的聚變功率，并在Q值上超過10。我國研制小型裝置的公司主要有四家，分別是新奧科技、能量奇點(diǎn)、星環(huán)聚能、聚變新能。2019年，新奧科技“玄龍-50”落地，并實(shí)現(xiàn)第一次等離子體放電。2023年，星環(huán)聚能與清華大學(xué)聯(lián)合建設(shè)了中國聯(lián)合球形托卡馬克2號(hào)（SUNIST-2），并獲得了100千安培等離子體電流。2024年初，能量奇點(diǎn)設(shè)計(jì)的全高溫超導(dǎo)托卡馬克洪荒70將按計(jì)劃開始運(yùn)行。聚變新能于2023年成立，目前正在建設(shè)緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）。3.按圖索驥，厘清可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)可控核聚變的約束方式不同，對(duì)應(yīng)的裝置結(jié)構(gòu)材料也不同。磁約束托卡馬克是當(dāng)今最為成熟的聚變技術(shù)路線，在眾多裝置中，ITER規(guī)模最大、設(shè)計(jì)完備、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)眾多，建造涉及35個(gè)國家，是當(dāng)前最具影響力的國際聯(lián)合項(xiàng)目。ITER裝置可分為主體部分、配套系統(tǒng)。主體部分研制難度大，主要包括磁體系統(tǒng)、真空室、真空杜瓦、包層模塊、偏濾器五個(gè)部分。配套系統(tǒng)需支撐龐大的裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，復(fù)雜性強(qiáng)，主要包括電源系統(tǒng)、加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)等。ITER項(xiàng)目于2006年啟動(dòng)，最初估算成本為50億歐元；但由于裝置部件延期、系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷，目前成本已增長至200億歐元。在成本拆分上，2002年美國DOE公開的數(shù)據(jù)可供參考。該測算立足于ITER實(shí)驗(yàn)堆的定位與當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)進(jìn)展，除了考慮到建造主體部分、配套系統(tǒng)所產(chǎn)生的直接成本外，還測算了包含項(xiàng)目承包、技術(shù)研發(fā)、集成調(diào)試的間接成本，以及備用和延遲交付設(shè)備的成本。直接成本在ITER總成本中占比為75%，其中主體部分成本、配套系統(tǒng)占比分別為40%、35%。在主體部分中，磁體系統(tǒng)涉及超導(dǎo)的研制，技術(shù)壁壘高、線圈數(shù)量大，成本高達(dá)21%。真空室體積大、耗材多，成本占比為6%。包層模塊所用鈹材料價(jià)格高、加工難，成本占比為5%。配套系統(tǒng)中，電源、冷卻水系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，成本占比分別為6%、4%；加熱與電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用在于為等離子體加熱，需要能夠提供高輸入功率，涉及物理問題復(fù)雜，仍處于設(shè)計(jì)階段，成本占比為6%。3.1.ITER項(xiàng)目由歐、中、俄、韓、日、美、印等7方30個(gè)國家參與，中方承擔(dān)9%ITER由各國以采購包形式分擔(dān)，其中歐洲承擔(dān)45.5%，其余各國承擔(dān)約9.1%。具體到各環(huán)節(jié)，在主體部分：真空杜瓦由印度承擔(dān)，磁體系統(tǒng)除印度以外均有參與，真空室由歐、韓、俄聯(lián)合制造，偏濾器由歐、日、俄制造，包層模塊除印度、日本外均有參與。在配套系統(tǒng)中，我國主要承擔(dān)電源系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)兩部分。我國對(duì)于ITER的貢獻(xiàn)分為兩個(gè)方面，實(shí)物、現(xiàn)金分別占80%、20%。在實(shí)物方面，我國主要負(fù)責(zé)18個(gè)采購包，包括磁體支撐、校正場線圈、饋線接口、環(huán)向場導(dǎo)體、極向場導(dǎo)體、校正場線圈和饋線導(dǎo)體、第一壁、屏蔽包層、氣體注入、輝光放電清洗系統(tǒng)、診斷和脈沖高壓變電站、極向變流器電源系統(tǒng)、無功補(bǔ)償和濾波系統(tǒng)。截至2023年7月，ITER正式員工總數(shù)1093人。中方在ITER組織中正式職員95人，占職員總數(shù)的8.7%，僅次于歐洲。3.2.ITER主導(dǎo)下的國內(nèi)可控核聚變托卡馬克產(chǎn)業(yè)鏈在托卡馬克裝置方面，我國公司的訂單主要來自于ITER采購包、國內(nèi)大型聚變裝置，目前主要集中于主體部分，包括磁體系統(tǒng)、包層模塊、偏濾器、面向等離子體材料（包層第一壁、偏濾器靶板材料）、增殖單元材料（中子倍增劑）等環(huán)節(jié)。1）磁體系統(tǒng)：超導(dǎo)材料工藝復(fù)雜，市場需求大。ITER以低溫超導(dǎo)材料為主，共需240噸NbTi超導(dǎo)線、400噸Nb3Sn超導(dǎo)線，我國分別負(fù)責(zé)150噸、30噸，主要由西部超導(dǎo)、白銀有色、寶勝股份等老牌材料、線纜企業(yè)供貨。與此同時(shí)，高溫超導(dǎo)材料為未來大型聚變堆的發(fā)展方向，也是當(dāng)前緊湊型聚變堆的關(guān)鍵材料。我國研制高溫超導(dǎo)材料的企業(yè)主要有上海超導(dǎo)、上創(chuàng)超導(dǎo)、蘇州新材料（永鼎股份旗下企業(yè)）、英納超導(dǎo)、翌曦科技等。2）包層模塊：ITER的包層