人類首次實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)是在1934年，由歐內(nèi)斯特·盧瑟福和他的助手馬克·奧利芬特共同完成，實(shí)現(xiàn)了人工氫聚變反應(yīng)。從人類首次實(shí)現(xiàn)人工核聚變到現(xiàn)在，已經(jīng)過去了90多年。近些年，我國在可控核聚變研究領(lǐng)域不斷取得重大突破，創(chuàng)造了許多世界紀(jì)錄。據(jù)中國工程院院士李建剛表示：5年內(nèi)將在中國看到“核聚變點(diǎn)亮的第一盞燈”。也就是說，距離人類利用核聚變實(shí)現(xiàn)發(fā)電已經(jīng)越來越近了！
核聚變的原理源自太陽內(nèi)部的能量生成機(jī)制：氫原子核在極端高溫高壓下聚合為氦，并釋放出巨大能量。與核裂變相比，核聚變零碳排放、無核廢料長(zhǎng)期貯存風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，核聚變反應(yīng)具有“固有安全性”，一旦溫度或磁場(chǎng)條件不滿足，反應(yīng)會(huì)自動(dòng)終止，徹底消除核泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
太陽內(nèi)部的核聚變實(shí)現(xiàn)依靠自身的重力。而要在地球上實(shí)現(xiàn)可控核聚變，主要有兩種方式，一種是磁約束，一種是慣性約束。目前被看好的就是磁約束，該種聚變約束的實(shí)現(xiàn)有多種方案，包括托卡馬克、仿星器、磁鏡等。
我國近些年不斷取得重大突破的就是采用磁約束的托卡馬克裝置。托卡馬克在國際上也較為看好，許多國家都在研究。該裝置通過超導(dǎo)磁體產(chǎn)生相當(dāng)于地球磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)十萬倍的環(huán)形磁場(chǎng)，將等離子體懸浮在真空室內(nèi)，以維持聚變所需的高溫高壓環(huán)境，同時(shí)避免等離子體與內(nèi)壁接觸造成損毀，從而實(shí)現(xiàn)可控核聚變。
位于安徽合肥的全球首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“東方超環(huán)”，自2006年建成以來，取得了許多成就。在2025年1月，更是以1億攝氏度等離子體運(yùn)行1066秒的世界紀(jì)錄，將人類對(duì)可控核聚變的研究推向新高度?！皟|度千秒”實(shí)驗(yàn)，成功驗(yàn)證了等離子體長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定約束的工程可行性。
2020年建成，位于四川成都的“中國環(huán)流三號(hào)”托卡馬克可控核聚變大科學(xué)裝置，2025年3月在全球首次實(shí)現(xiàn)等離子體原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的“雙億度”突破，聚變?nèi)朔e“溫度-密度-約束時(shí)間”大幅躍升，讓托卡馬克裝置在實(shí)際操作上實(shí)現(xiàn)連續(xù)核聚變反應(yīng)成為可能。
這些成就標(biāo)志著中國可控核聚變向工程化應(yīng)用邁出重要一步，更標(biāo)志著人類距離“人造太陽”的終極能源夢(mèng)想又近了一步。
雖說目前人類還未實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電，但工程可行性已經(jīng)獲得充分驗(yàn)證。目前我國的新一代托卡馬克聚變裝置“緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置”，正在安徽合肥加速建設(shè)，計(jì)劃2027年建成，不僅要實(shí)現(xiàn)能量增益，還有望在全球率先實(shí)現(xiàn)聚變能發(fā)電。該裝置可利用聚變產(chǎn)生的中子轟擊鋰包層，實(shí)現(xiàn)氚自持循環(huán)；并且還采用了模塊化設(shè)計(jì)，為商業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
此外，由中核集團(tuán)與聯(lián)創(chuàng)光電聯(lián)合推進(jìn)的“星火”聚變項(xiàng)目，計(jì)劃在2030年前建成全球首座聚變 - 裂變混合發(fā)電廠。而由科技部基礎(chǔ)司推動(dòng)，集合了全國眾多頂尖科學(xué)家參與設(shè)計(jì)的中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆項(xiàng)目也已啟動(dòng)，計(jì)劃在2035年建成，目標(biāo)是建設(shè)首個(gè)核聚變示范電站。該裝置將讓輸出能量遠(yuǎn)超輸入能量，實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電并接入電網(wǎng)，達(dá)到商業(yè)化門檻。
除了我國，美國、歐盟、俄羅斯、日本等也在加緊推進(jìn)核聚變項(xiàng)目，其中能與我國形成爭(zhēng)峰之勢(shì)的便是美國。
目前美國多家企業(yè)正在建設(shè)聚變發(fā)電廠。例如，美國核聚變能源公司Helion正在華盛頓州建設(shè)全球首座商用核聚變發(fā)電廠，聲稱要在2028年開始發(fā)電。該公司采用的是磁慣性聚變方案，這種方案結(jié)合了磁約束聚變和慣性約束聚變的特點(diǎn)，不過聚變反應(yīng)只能脈沖式進(jìn)行，靠不靠譜還不好說。而美國麻省理工學(xué)院孵化的CFS公司，計(jì)劃在弗吉尼亞州建造聚變發(fā)電廠，采用托卡馬克方案，預(yù)計(jì)2030年代初建成并投入發(fā)電。
美國在激光慣性約束研究上全球領(lǐng)先，但慣性約束的商業(yè)化路徑比磁約束更遙遠(yuǎn)。美國能源部在2022年宣稱，加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室采用激光慣性約束路線的核聚實(shí)驗(yàn)裝置“國家點(diǎn)火裝置”，首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“能量增益”。實(shí)際上，這個(gè)所謂的“能量增益”水分很大！維持聚變反應(yīng)的整個(gè)激光系統(tǒng)的能耗高達(dá)300兆焦，遠(yuǎn)超靶丸1.05兆焦的增益部分。
目前以托卡馬克為代表的可控核聚變?cè)诠こ躺弦呀?jīng)具備可行性，未來如果能夠讓聚變反應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行用于發(fā)電，并讓輸出能量遠(yuǎn)大于輸入能量，那么就可以接入電網(wǎng)商用了。從現(xiàn)階段各國的進(jìn)展來看，樂觀估計(jì)5年之內(nèi)人類就能夠?qū)崿F(xiàn)聚變發(fā)電。而能率先實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電的國家，大概率是中國或者美國。不過就算能發(fā)電，也不要過于樂觀，要實(shí)現(xiàn)可控核聚變大規(guī)模商用，可能要等到2050年左右！
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