2024年可控核聚變專題報(bào)告：從科幻到商業(yè)

2024年可控核聚變專題報(bào)告：從科幻到商業(yè)可控核聚變：“聚變”與“可控”的原理核能分為裂變能和聚變能核能是一種清潔高效的能源，核變化釋放的能量可以分為兩種類型：1）核裂變（nuclearfission），即重元素的原子核分裂為質(zhì)量較輕元素的原子核時(shí)所釋放的能量。鈾是核裂變的關(guān)鍵原料，鈾原子在中子的轟擊下會(huì)裂變?yōu)殇^和氪，裂變時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量能量，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生3個(gè)新的中子，激發(fā)其他鈾原子裂變。目前核能發(fā)電用的主要是裂變技術(shù)，核裂變技術(shù)還用于原子彈中。2）核聚變（nuclearfusion），即小質(zhì)量元素的原子核聚合成為重核所釋放的能量。氘和氚聚合在一起會(huì)產(chǎn)生氦和1個(gè)中子，同時(shí)可以釋放出能量?？煽睾司圩兡芰棵芏雀?、原料豐富、安全無污染與核裂變相比，可控核聚變釋放能量大，原料來源豐富，安全可靠、環(huán)境友好、產(chǎn)生的放射性廢物少。能量密度來看，每單位質(zhì)量的聚變?nèi)剂厢尫懦龅哪芰渴橇炎兊?倍；原材料來看，聚變?nèi)剂贤ǔＪ褂秒碗?，地球上氘?chǔ)量豐富，氚可以通過中子和鋰制備，而核裂變采用的鈾元素我國(guó)儲(chǔ)量有限仍需進(jìn)口，2023年進(jìn)口量1.7萬噸，進(jìn)口金額達(dá)到19億美元；安全性來看，聚變實(shí)現(xiàn)難度高，且不產(chǎn)生放射性廢料，而核裂變是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，難以控制，并產(chǎn)生大量放射性物質(zhì)，切爾諾貝利（1986年）和福島（2011年）福島核事故曾造成巨大危害。2023年國(guó)務(wù)院國(guó)資委啟動(dòng)實(shí)施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動(dòng)，明確可控核聚變領(lǐng)域?yàn)槲磥砟茉吹奈ㄒ环较?。由于反?yīng)原理不同，核聚變進(jìn)度不及核裂變核裂變從實(shí)驗(yàn)室走向裂變電站僅用了約10年。1939年，科學(xué)家首次揭示了鈾原子核的分裂現(xiàn)象；1945年，利用核裂變?cè)碇圃斐龅牡谝活w原子彈在美國(guó)阿拉莫戈多沙漠爆炸；3年后，第一座核裂變電站便在美國(guó)田納西州橡樹嶺實(shí)現(xiàn)發(fā)電。1951年，利用核聚變?cè)碇圃斓臍鋸椩谔窖笊系亩髂嵬锌藣u實(shí)現(xiàn)爆炸，然而至今70年人類依然未能實(shí)現(xiàn)可控核聚變發(fā)電。核聚變無法復(fù)制核裂變發(fā)電的模式。從核裂變的反應(yīng)方程式可以看出，核裂變的觸發(fā)需要中子（n）。當(dāng)鈾核由1個(gè)中子引發(fā)裂變時(shí)，會(huì)同時(shí)放出2-3個(gè)中子，這些中子可以再引起其他鈾核裂變，裂變反應(yīng)可不斷持續(xù)下去，這一過程也被稱為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。通過加入控制棒吸收核裂變產(chǎn)生的中子，可以控制核裂變的反應(yīng)速率，從而實(shí)現(xiàn)核裂變發(fā)電。而核聚變的反應(yīng)過程則不需要中子，因此無法復(fù)制核裂變控制反應(yīng)速率的方式。如何實(shí)現(xiàn)“聚變”:溫度、密度、時(shí)間實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，需要同時(shí)滿足三個(gè)條件：足夠高的溫度、一定的密度和一定的能量約束時(shí)間，三者的乘積稱為聚變?nèi)朔e。根據(jù)勞遜判據(jù)，只有聚變?nèi)朔e大于一定值，才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。1）足夠高的溫度：要在地球?qū)崿F(xiàn)高效核聚變反應(yīng)，溫度大約需要維持在1億℃以上可獲得較高反應(yīng)幾率，這個(gè)溫度是太陽核心溫度的近10倍；2）一定的密度：等離子體約束區(qū)單位體積內(nèi)氘氚原子核的數(shù)量越多，能夠有效提高原子核間的碰撞效率，以獲得足夠的核聚變反應(yīng)率；3）能量約束時(shí)間：高溫等離子體的能量以輻射和熱傳導(dǎo)的形式逸出，能量損失的時(shí)間被定義為能量約束時(shí)間，高能量約束時(shí)間意味著裝置具有良好的隔熱性能，能量流失得緩慢，以進(jìn)一步提高核聚變反應(yīng)率。如何實(shí)現(xiàn)“可控”：我國(guó)以磁約束路線為主解決核聚變溫度、密度、約束時(shí)間三個(gè)方面的“可控”主要有三種路徑：磁約束、激光約束和箍縮。1）激光約束：采用多臺(tái)超大功率激光器，對(duì)準(zhǔn)封裝核燃料的氫氣小球，同時(shí)發(fā)射激光，加熱和壓縮氫燃料，激光在進(jìn)入環(huán)空器后，會(huì)擊中內(nèi)壁并使其發(fā)出X射線，然后這些X射線可以將其加熱到1億攝氏度，高能激光會(huì)使小球表面等離子體化，其余中心材料受到牛頓第三定律驅(qū)使，最終會(huì)向中央坍縮發(fā)生內(nèi)爆。在內(nèi)爆時(shí)，只要對(duì)燃料球給予正確的高溫高壓就能發(fā)生反應(yīng)，放出大量能量。2）箍縮：跟激光聚變類似，把激光換成電流。3）磁約束：利用磁場(chǎng)約束帶電粒子沿磁力線運(yùn)動(dòng)，發(fā)生核聚變反應(yīng)需要把核聚變?nèi)剂想凹訜岬缴蟽|度，形成等離子體，使得質(zhì)子不被電子包裹，做高速熱運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)質(zhì)子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生熱量；由于等離子體溫度極高，通過磁場(chǎng)約束質(zhì)子運(yùn)動(dòng)，從而避免等離子體接觸到容器。磁約束核聚變被看做較為可行的路徑，我國(guó)采用的是磁約束路線。當(dāng)前進(jìn)展與商業(yè)化可能1968年后托卡馬克裝置成為主流，發(fā)展迅速托卡馬克裝置成為主流后，相關(guān)研究發(fā)展迅速。氫彈研究出來之后，前蘇聯(lián)和美、英等各國(guó)就投入到可控核聚變的開發(fā)當(dāng)中。世界上首臺(tái)托卡馬克T-1裝置由阿奇莫維奇等人設(shè)計(jì)、建造，1958年建成并開始運(yùn)行。兩次升級(jí)改造之后，1968年8月，在蘇聯(lián)新西伯利亞召開的第三屆等離子體物理和受控核聚變研究國(guó)際會(huì)議上，科學(xué)家阿齊莫維齊宣布在蘇聯(lián)的T-3托卡馬克上產(chǎn)生了1000萬度等離子體。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他各種裝置上的參數(shù)，此后托卡馬克的研究進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)代。各國(guó)相繼建造或改建了一批大型托卡馬克裝置，比較著名的有美國(guó)的TFTR，歐盟的JET，日本的JT60和蘇聯(lián)的T-15。隨著托卡馬克的裝置越建越大，產(chǎn)生的等離子體溫度也越來越高。20世紀(jì)80年代比較著名的托卡馬克有：美國(guó)的TFTR，歐盟的JET，日本的JT60和蘇聯(lián)的T-15，以上四個(gè)裝置被稱為“四大托卡馬克”。其中除了T-15由于蘇聯(lián)解體的特殊原因沒有成功運(yùn)行之外，其他裝置陸續(xù)取得了許多重要成果。托卡馬克→超導(dǎo)托卡馬克，解決大電流和損耗問題，延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間世界上第一個(gè)超導(dǎo)托卡馬克是1978年蘇聯(lián)的T-7，它在工程上驗(yàn)證了超導(dǎo)磁體能夠在托卡馬克上實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。聚變電站要求數(shù)億度的等離子體必須實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，然而之前裝置的運(yùn)行結(jié)果僅僅持續(xù)數(shù)秒鐘，這是因?yàn)橛脕懋a(chǎn)生磁場(chǎng)的電流非常大，常規(guī)托卡馬的磁場(chǎng)線圈不能長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，于是超導(dǎo)技術(shù)被引入到托卡馬克的線圈上，以解決大電流和損耗的問題。1993年HT-7建成，中國(guó)成為世界上繼俄、法、日之后第四個(gè)擁有超導(dǎo)托卡馬克的國(guó)家。HT－7的建成和成功運(yùn)行使中國(guó)在托卡馬克相關(guān)的超導(dǎo)、低溫制冷、強(qiáng)磁場(chǎng)等研究都登上新的臺(tái)階。2008年，HT-7實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)400s的等離子體放電，這是當(dāng)時(shí)國(guó)際同類裝置中時(shí)間最長(zhǎng)的等離子體放電。2012年，HT-7在全面完成預(yù)定科學(xué)技術(shù)目標(biāo)的背景下正式退役。超導(dǎo)托卡馬克→全超導(dǎo)托卡馬克超導(dǎo)材料的全面應(yīng)用推動(dòng)托卡馬克裝置性能提升。上述的超導(dǎo)托卡馬克準(zhǔn)確來說是“半超導(dǎo)托卡馬克”，因?yàn)榛径贾辉诳v場(chǎng)線圈部分實(shí)行了超導(dǎo)，而其他線圈還是用的普通導(dǎo)體材料。東方超環(huán)EAST由等離子體所于1996年提出，2006年建成，項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)1.65億元，是世界上第一個(gè)在所有磁體上都使用超導(dǎo)材料的全超導(dǎo)托卡馬克。EAST高11米、直徑8米、重達(dá)400噸，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)由16個(gè)縱場(chǎng)TF線圈、6個(gè)等離子體控制PF線圈和6個(gè)中央螺線管CS線圈組成。EAST所有磁體都選用了鈮鈦合金NbTi作為超導(dǎo)材料，所有線圈均采用了導(dǎo)管內(nèi)電纜CICC技術(shù)，以提供非常高的工作電流和足夠的抗交流損耗能力。國(guó)際合作：國(guó)際熱核聚變堆ITERITER由中國(guó)、美國(guó)、歐盟等7國(guó)共同建設(shè)，總投資達(dá)200億歐元。數(shù)代托卡馬克的研究證實(shí)裝置越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，越容易實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)和獲得聚變能源，然而建造一個(gè)小型的托卡馬克裝置需要花費(fèi)數(shù)億-數(shù)十億人民幣，建造一個(gè)實(shí)驗(yàn)堆的投入需要數(shù)百億-千億人民幣。1985年，蘇聯(lián)、美國(guó)、歐盟、日本最先發(fā)起倡議建立國(guó)際熱核聚變堆ITER，并于2001年完成最終設(shè)計(jì)報(bào)告。2006年，中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯、美國(guó)等正式簽署ITER協(xié)定并于2007年成立ITER國(guó)際組織實(shí)施計(jì)劃，項(xiàng)目總計(jì)劃投資高達(dá)200億歐元。ITER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。中國(guó)承擔(dān)了ITER裝置9%的采購(gòu)包任務(wù)，中科院等離子體物理研究所是中方任務(wù)的主要承擔(dān)單位，自2009年以來主持了超導(dǎo)導(dǎo)體、校正場(chǎng)線圈、磁體饋線系統(tǒng)等制造任務(wù)。行業(yè)預(yù)期：首座聚變電站未來10年并網(wǎng)發(fā)電全球可控核聚變商業(yè)化投資加速。根據(jù)美國(guó)的聚變能產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（FIA）于2023年7月發(fā)布的《2023年聚變能產(chǎn)業(yè)報(bào)告》，截至2023年初，全世界核聚變公司吸引了超過60億美元的投資，較2022年初的總投資額增加14億美元，較2021年初的18.72億美元增加40多億美元。行業(yè)預(yù)期首座聚變電廠未來10年并網(wǎng)發(fā)電。2023年參與FIA調(diào)查的聚變能公司數(shù)量增加13家，總數(shù)量達(dá)到43家。其中，26家公司認(rèn)為聚變供電將在2035年之前實(shí)現(xiàn)，19家公司認(rèn)為隨著成本下降、效率提升，可控核聚變將在2035年前顯示出商業(yè)可行性，反映出行業(yè)對(duì)于聚變發(fā)展的信心?？煽睾司圩儺a(chǎn)業(yè)鏈可控核聚變電站工作原理可控核聚變釋放出的大量核能，需要通過核電站轉(zhuǎn)化為電能。核燃料在反應(yīng)堆中通過核聚變產(chǎn)生的熱量加熱一回路高壓水，一回路水通過蒸汽發(fā)生器加熱二回路水使之變?yōu)檎羝?。蒸汽通過管路進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。整個(gè)過程的能量轉(zhuǎn)換是由核能轉(zhuǎn)換為熱能，熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)換為電能。核電站一般分為兩部分：核島和常規(guī)島。核島：是整個(gè)核電站的核心，負(fù)責(zé)將核能轉(zhuǎn)化為熱能，是核電站所有設(shè)備中工藝最復(fù)雜、投入成本最高的部分，投資成本占比達(dá)到58%，并且市場(chǎng)參與者較少，主要包含的器件有第一壁、偏濾器。常規(guī)島：利用核聚變產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化成蒸汽，進(jìn)行發(fā)電，主要包含蒸汽發(fā)生器、汽輪機(jī)、水泵、低溫系統(tǒng)等，與火電站類似。核聚變上中下游設(shè)備拆分可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈上游為原材料，包括第一壁材料鎢、高溫超導(dǎo)帶材原料REBC0和氚氚燃料。中游為相關(guān)設(shè)備，核心設(shè)備包括超導(dǎo)磁體、第一壁和偏濾器，其中超導(dǎo)磁體占總投資成本約40-50%。高溫超導(dǎo)磁體可大幅提升磁場(chǎng)強(qiáng)度，是裝置運(yùn)行的核心部件，第一壁的作用是控制進(jìn)入等離子體的雜質(zhì)、傳遞輻射到材料表面的熱量等，偏濾器的作用是控制等離子體與真空室壁面的相互作用，減少壁面的熱負(fù)荷和粒子轟擊。產(chǎn)業(yè)鏈下游為應(yīng)用環(huán)節(jié)，核聚變技術(shù)主要用于發(fā)電、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。第一壁：鎢基合金可能是未來理想材料第一壁是聚變裝置的關(guān)鍵部件，主要功能是有效控制進(jìn)入等離子體的雜質(zhì)，有效傳遞輻射到材料表面的熱量，保護(hù)非正常停堆時(shí)其它部件因受等離子體轟擊而損壞。我國(guó)為ITER研制的第一壁為三層結(jié)構(gòu)，分別是最內(nèi)側(cè)的面向等離子體材料（鈹）、中間的熱沉材料（銅鉻鋯合金，利用銅良好的導(dǎo)熱性把內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)出來，再通過冷卻劑（如氦氣）輸送到反應(yīng)堆外用于發(fā)電）和背后的結(jié)構(gòu)支撐材料（不銹鋼）。但是，鈹和銅之間的相互擴(kuò)散會(huì)形成一些脆性的金屬間化合物（如CuBe），導(dǎo)致材料力學(xué)性能的劣化。鎢基合金可能是