中國力爭更快取得聚變能源成果

 一、核聚變對人類未來至關重要  各國競相發展 

   當人類進入太空後只有太陽能及核能可使用，而太陽的能量也是來自於核聚變，但核聚變的控制技術很難是全世界能源發展的前沿方向。所謂人造太陽就是以超導磁場約束離子，通過能波加熱，讓等離子氣體達到上億度的高溫，發生核聚變的裝置。托卡馬克裝置是一種核聚變反應器，是1950年代蘇聯科學家發明，其裝置是一個環狀甜甜圈，在其中極高溫的電漿被磁場約束和加壓，以進行核融合反應。國際核聚變實驗堆（ITER）計劃於2006年誕生，由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度七方參與，但進度緩慢。中國的東方超環EAST 是中國自主設計建造的核聚變實驗裝，其主機高11米、直徑8米、重達400噸。率先實現一億度的超高溫，很早就實現了101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行，在核聚變實驗中一直保持著領先。另外，中國正在爭取到2030年代啟用具備發電能力的實驗反應爐「CFETR」，比國際熱核融合實驗堆的規模更大。世界上規模最大的核聚變反應堆歐洲聯合環狀反應堆（JET）中產生了能量輸出為59兆焦耳的穩定等離子體。” 

    世界各國的核聚變研究機構和企業正在以實用發電為目標展開激烈的競爭。要發生核融合反應，必須將燃料加熱到攝氏1億度以上，形成原子核質子和電子自由移動的「等離子」狀態。控制具有高能量且不穩定的等離子體的技術，包括利用強力磁鐵封閉等離子體的托卡馬克型和用雷射照射並封閉的雷射型等，多種方式的開發正在推進。自2010年代後期以來，全球出現了許多核融合初創公司，募集到鉅額資金，其中大部分是私人投資。還出現了被稱為「三強」的企業，力爭到2030年代投入實用發電。其中之一的英國托卡馬克能源公司2022年3月在企業之中首次實現了核融合反應所需的1億攝氏度的等離子體。為了長時間保存放入球狀容器的等離子體，將致力於開發使用強力超導磁鐵的技術，到2026年將建設實驗反應爐。源自美國麻省理工學院的美國聯邦聚變系統公司也將使用超導磁鐵。生成的能量多於投入能量的實驗反應爐將於2025年投入運行。加拿大General Fusion將使用一種用液態金屬包裹和壓縮等離子體的自主技術。該公司計劃在2027年之前在英國啟動實驗性反應爐。日本Astamus調查公司稱按申請專利的企業和研究機構的國籍來看，中國排在首位。京都大學的初創企業Kyoto Fusioneering在2023年將向英國原子能管理局 (UKAEA)交付核融合研究反應爐的主要設備「迴旋振盪管」。另一家企業Helical Fusion繼承了日本自然科學研究機構核融合科學研究所的技術，目標是推動穩定運轉螺旋型的實用化，推進零部件的開發等。圍繞核融合，2022年12月，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施在全球首次實現了聚變點火，産生了相當於投入量1.5倍的能量，但這只是一次性的瞬間反應，實用化需要進一步提高效率。 

二、亞洲時報盛讚中國EAST的成就 

    亞洲時報盛讚中國先進超導託卡馬克實驗裝置EAST的成就，中國已躋身於國際磁約束聚變研究的前沿。位於合肥的 EAST 反應堆利用強大的磁場將熱等離子體限制在其環形真空室內，能夠在與氘氚燃料聚變所需的溫度範圍內正常運行。2023年4月12日，EAST 首次成功地在稱為“H 模式”的動態狀態下維持 1 億攝氏度的等離子體超過 6 分鐘，其中“H”代表“高限制”。長期以來，這種特定的等離子體狀態一直被認為特別有利於託卡馬克裝置中等離子體的穩定限制。目前正在法國建造的巨型國際環形實驗反應堆 (ITER) 預計將以“H 模式”運行。在 2021 年 12 月 30 日，EAST 打破了之前所有的限制時間記錄，在相同溫度範圍內保持等離子體超過 17 分鐘。這在一定程度上要歸功於發現了一種迄今未知的等離子體狀態，中國科學家稱之為“超 I 模式”。可以想像，“超 I 模式”——或未來可能發現的其他模式——可能被證明在托卡馬克裝置實現聚變方面優於 H 模式。自2006年以來，EAST在解決長脈衝運行相關的關鍵技術和物理問題上取得了一個又一個輝煌的里程碑。正在法國 Cadarache 建設的 ITER 預計將在 2035 年完成，ITER 本身並不是為了發電而設計的，而只是為第一個原型發電廠“DEMO”提供最後的墊腳石。根據亞洲時報報導，由於美國和日本科學家最近在核聚變領域取得重大突破，中國正敦促核聚變物理學家加倍努力並加快步伐。中國工程院院士萬元熙表示，中國已經證明了利用托卡馬克開發聚變發電的可行性，下一步就是實現發電。自20世紀70年代以來，中國已建造了中小型托卡馬克裝置，例如成都西南物理研究所的HL-1和HL-1M以及等離子體物理研究所的HT-6B和HT-6M。2021年5月，EAST在1.2億度的溫度下實現了101秒的穩態高約束模式（H模式）運行。2021年12月，它在7000萬度的溫度下保持了穩定的等離子體1056秒。今年4月12日，實現了全球首個403秒穩態H模式等離子體。 EAST托卡馬克的成功推動中國在磁聚變領域處於世界領先地位，EAST 使用非常不同的等離子體參數運行，但其許多結果以及其設計中體現的技術成就無疑與高場設備相關。 

三、日本核聚變發展 

   在核融合發電領域，日本政府和企業組建聯盟。三菱商事、關西電力、政府旗下基金等16家企業將向源自京都大學的初創企業合計出資約100億日元，充實相關設備和技術人員等經營資源，提高技術開發能力。由於日本極度缺乏自產能源，而核聚變燃料可以從海水中提取，因此作為去碳化的能源主力很受期待，日本將通過這種「舉國體制」參與全球競爭。研究單位Kyoto Fusioneering由京都大學的研究人員于2019年成立。Kyoto Fusioneering在被稱為「迴旋振盪管(gyrotron)」的等離子加熱裝置領域具有較高技術能力。這是促進核融合反應的核心裝置，在開發方面領先於世界。由於技術能力受到期待，從英國原子能管理局 (UKAEA)獲得設備訂單。首先將充分利用籌集的資金，力爭掌握能穩定運轉核融合反應爐的技術。2024年將在日本國內設置核融合發電的小規模實驗設備，驗證迴旋振盪管等裝置能否穩定運轉以及提取熱量等。此外，還將擴大技術人員等的招聘，將規模擴大至約為目前3倍的200～300人。預計自2020年代後半期開始，實驗反應爐的建設在全球正式啟動，設備需求有望擴大。為了到2030年代實現商用化，技術開發正在取得進展。日本自上世紀90年代以來一直在國家的主導下推進項目，包括參與國際項目「國際熱核融合實驗堆（ITER）」。日本擁有在世界上屬於領先水平的技術，慶應大學訪問教授岡野邦彥表示：「在材料開發方面與歐洲一起走在前列」。日本政府也在4月制定了推動核融合發電實用化的首個國家戰略，提出了加快推進産業化和培養專業人才的方針。不過，正在由國家主導轉向以企業為主體，需要籌措鉅額資金，競爭日趨激烈。美國核融合工業協會 (FIA) 2022年7月發佈的報告顯示，全球與核融合相關的企業超過30家，融資額合計達到逾48億美元。  

    源自美國麻省理工學院的美國聯邦聚變系統已累計籌集超過20億美元。英國托卡馬克能源則在提高核融合反應效率的技術等方面增加專利申請數量，在數量上壓倒其他企業。核融合發電有望形成巨大的市場規模，産業範圍廣闊。實用化還需要時間。為了讓日本不落後於世界開發競爭，日本政府和企業等的聯合支援日趨重要。日本的Nikkan Kogyo報紙報導稱，日本一個政府小組將開會討論推進建造原型核聚變反應堆的時間表。日本官員表示，該國必須重啟更多在 2011 年福島災難後閒置的核電機組，並建造新的下一代反應堆，以實現該國到 2050 年實現碳中和的目標。 

四、美國核聚變研究成果 

   去年12月13日，美國能源部（DOE）及其國家核安全局（NNSA）宣布，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家通過提供2.05兆焦耳（MJ）的能量實現了淨能量增益實驗產生了 3.15 MJ 的聚變能量輸出。美國能源部表示，該實驗首次證明了慣性聚變能的基本科學依據。科學家表示，如果反應堆能夠實現每秒10次點火，聚變發電就有可能實現。美國初創公司Helion Energy表示，Helion計劃在2028年向微軟提供50兆瓦的聚變電力。LLNL的點火具有重要意義，它是人類實現聚變能源的一大步。依據POWER網站報導，美國TAE Technologies公司稱其研究支持從以氫硼為燃料的核聚變反應堆提供電力的途徑。TAE表示是與日本國家核聚變科學研究所 (NIFS) 合作完成的，重點是在磁約束聚變等離子體中進行首次氫硼聚變實驗。論文解釋了在 NIFS 的大型螺旋裝置 (LHD) 進行的實驗中氫硼核聚變反應的結果，參與這項研究的科學家描述了在 LHD 等離子體中產生氫-硼聚變所需的條件，以及 TAE 開發的一種探測器，用於測量氫-硼反應產物，即氦核或 α 粒子。研究人員指出，雖然反應沒有產生淨能，但它證明了非中子聚變的可行性和對氫硼的依賴。美國能源部 (DOE)最近表示核聚變研究的投資有望加速。TAE 於 2021 年與 NIFS 建立了合作夥伴關係，該公司表示氫硼項目源於“美國和日本聚變研究人員為探索無子聚變而進行的長期合作”。無中子產生的核聚變其中能量是以帶電粒子的形式釋放，通常是質子或α粒子。而有中子產生的核聚變反應可能會以中子的形式釋放多達 80% 的能量。 

   TAE 是全球三大從事聚變能研究的團體之一， TAE成立於1998年，已建成5個國家實驗室規模的裝置。該公司已經成功產生和限制聚變等離子體超過 140,000 次。雖然各國不斷放出核聚變研究突破消息，但多半是吹牛，實際進展有太多瓶頸須要突破。《南華早報》曾報導中國頂級科學家中國工程物理研究院的彭先覺院士稱核聚變發電距離我們只有6年的時間了，他表示“聚變點火是當今世界科技皇冠上的一顆明珠”，但是要實現聚變點火太難了！彭院士說核聚變點火有兩種，一種是激光點火，利用高頻脈衝的極光輸出來點燃核聚變燃料小球，但這需要性能極高的儲能設施比如高性能電容與激光來驅動，對目前來說技術難度太高。另一種是磁約束等離子體核聚變，這種是利用磁場約束極端高溫的氘氚等離子體來讓其中的氘核和氚核聚變，不僅需要不斷對等離子體提供加熱，還需要長時間約束它，儘管已經露出一線曙光，多項技術上獲得了突破，但難度同樣非常大，實際應用遙遙無期。彭院士表示一種包含聚變和裂變反應堆結構的混合堆可以相對降低這個難度，Z-FFR聚變堆的中心聚變需求功率比較低，易於實現，用聚變為裂變提供中子增值，聚變只佔整個反應堆能量的5%，裂變佔95%，這個混合堆可以使用核廢料作為原料，將會率先實現聚變應用！Z-FFR其實是兩種技術的混合，Z-箍縮技術和裂變增殖堆，Z-箍縮其實是一種慣性約束結束，只不過點火方式改成了脈衝電流產生的強磁場。