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国中观察 | 再造一个太阳?—— 商用可控核聚变行业研究
来源: | 作者:国中资本 | 发布时间: 2024-03-19 | 233 次浏览 | 分享到:

编者按:

国中资本秉承研究与实践紧密结合的理念,强调“研究先行、投研结合”,研究指导投资、投资完善研究。2024年开始,国中资本正式推出“国中观察”专栏,定期发布国中资本博士后创新实践基地及相关投资人员研究报告,供交流探讨。

2020年以来,全球商用可控核聚变掀起了一轮新的投资热潮。人们真切的关心,我们是否能再制造一个太阳?按笔者观点,人类“到太阳的距离”很可能只是“一层窗户纸的距离”

以下,为本期报告精华分享:

宇宙中人类所已知的各种能量,几乎最初都来自于恒星核心处发生的热核聚变。


01/ 核裂变?核聚变?

著名的爱因斯坦质能方程:E=MC2表明,质量的本质就是能量。原子核之间的核反应是最常见的通过消耗质量来释放能量的方式,具体包括核聚变和核裂变。



研究表明,各元素核子的平均质量(原子核质量/核子数量)中最轻的是铁元素。理论上,原子核质量比铁轻的元素发生聚变,或者原子核质量比铁重的元素发生裂变,均将造成质量的损失,损失的质量将以能量的方式释放。如果使用质能转换效率(单位质量发生质能转换的比例)来衡量各类型能量的品级,具体情况如下:



同核裂变相比,位质量的核聚变燃料可以释放更多的能量。经计算,1g核聚变燃料产生能量相当于8吨石油【1】,3g核聚变燃料所产生的能量,可以供一个家庭使用100年。此外,聚变反应的产物清洁、运行安全性好,被认为是人类现存能掌握的最高效清洁能源。


02/ 核聚变的基本知识

核聚变如何发生?


上亿度的高温:物质在极高温度下,原子将解体为原子核和自由电子,此时物质成为等离子体。由于原子核极小(仅为原子的万分之一),加上原子核之间有强烈的静电排斥,原子核之间难以发生碰撞融合。因此需要上亿度的高温增加原子核之间的碰撞几率,核聚变才有可能发生。

劳森判据(Lawson Criterion):理论上使用劳森判据来判断核聚变反应能否发生并维持,即完成核聚变的“点火”。最常见的一种形式是聚变等离子体的密度、温度、约束时间的乘积,即三重积的形式:





其中,n代表聚变等离子体密度,T代表等离子体温度, τE代表等离子体的约束时间。在核聚变中,通过提升原子核数量、原子核速度、碰撞时间这三方面来增加原子核的碰撞融合几率。理论上,三乘积达到一定的数值后,便可以实现核聚变的发生。




核聚变的效率几何?



评价聚变堆的能量经济性,主要是使用“能量增益指数”Q来判断,其中EE为聚变反应向外释放的能量,EI为引发聚变反应向反应堆中输入的能量:



根据上述公式,当Q>1时,聚变堆才有使用意义。但现阶段的聚变装置的Q值一般都达不到1。现有虽然部分实验堆的记录已经突破1,但行业内公认,只有当Q达到10以上才具有实际商业利用价值。




核聚变燃料的迭代



理论上,所有原子序数比铁小的元素都可以进行核聚变释放能量。考虑到聚变核反应进行的难度与能量收益,聚变燃料主要是在氢元素、氦元素的几种同位素中进行选择。





*来源:《World Survey of Fusion Devices 2022》,联合国原子能机构(IAEA)

第一代核聚变原料:氘+氚(D-T)极易发生热核聚变反应,也是人类最早使用的第一代核聚变原料。氘、氚都是氢元素的同位素,也分别被称为重氢、超重氢。氘在地球氢元素中的丰度为0.0145%,主要从水中分离提取,估计全球海水中储量有40万亿吨,近乎无限;氚由于具有放射性,自然界中含量可基本忽略不计,主要通过人工核反应制造。最常见的是使用中子轰击锂-6原子后产生(如氢弹中使用氘化锂作为装药)。现阶段世界的氚主要由商用的重水裂变堆(加拿大CANDU堆)作为副产品供应,年产量仅公斤级。

第二代核聚变原料:最常见的第二代核燃料路线主要有氦-3(3He-3He)和氢硼(p-11B)两种路线。氦-3被认为是清洁的聚变原料,产物仅有氦-4(普通氦)与带电的质子,可通过外界电场、磁场轻松收集。氦-3主要来源为太阳风,地球由于地磁场的原因含量极少(全球仅有约0.5t)。氦-3在月球表面含量丰富。2022年,我国科学家【2】在嫦娥五号取回的月壤样本中,发现了以气泡形式存在的氦-3,可直接通过机械粉碎的方式获取。据估算,月球上仅以这种形式存在的氦-3便有26万吨,总量更是达到110万吨,足够人类以现在的消耗水平持续使用10000年。但是,氦-3聚变温度约为D-T的3倍。



*来源:Ao Li, Xiao Chen, Lijian Song, et al. Taking advantage of glass: Capturing and retaining of the helium gas on the moon, Materials Futures, 2022, DOI: 10.1088/2752-5724/ac74af.

氦-3虽然优势众多,但仍然需要前往月球进行开采。人类也在探索其他路线,其中氢硼路线尤其受到关注,使用地球上含量极丰富的氕与硼。2023年3月,美国日本国立聚变科学研究所和美国TAE技术公司携手,首次在磁约束聚变等离子体中实现了氢—硼聚变实验。相关研究结果发表于《自然-通讯》杂志【3】。氢硼路线的聚变产物仅有地球稀缺的氦-4,但其聚变难度较大,所需温度达到了D-T聚变的30倍,释放能量也仅有D-T的一半。




聚变能如何接收?



聚变反应产生的能量,主要是以生成粒子的动能(即宏观层面的热能)形式释放。在D-T聚变体系中,有80%能量转换为中子动能。在核聚变的反应堆内壁,需要添加一层材料,被称为“第一壁”材料。其主要功能除了保护聚变堆不受逃逸等离子侵害外,主要是承接聚变反应的高能中子辐射,将其转变为热能,并通过其内部管道中的冷却剂将热量带走,转移至二次回路产生蒸汽驱动汽轮机发电。

第一壁材料工作环境恶劣,在遭受高温高能中子轰击后,会导致材料发生肿胀与脆化,并可能由于核反应的发生产生放射性元素。因此,第一壁材料要选择熔点高、耐中子、高导热物质。一般采用石墨、高温合金、碳/碳复材等。钨合金是一类高熔点、高强度、高密度的合金材料,被认为是较好的第一壁材料。


03/ 可控核聚变主要技术路线


地球上不存在能够盛放一亿度以上等离子体的容器”,形象说明实现可控核聚变的困难之处。

由于聚变需要达到上亿度的超高温,聚变等离子体在接触到容器后,将迅速被冷却导致聚变反应停止。所以可控核聚变的关键就是如何将上亿度的等离子体约束在某一特定区域内,使其温度、密度、约束时间达到劳森判据的要求,聚变反应才会发生并持续。

对等离子体约束的方式包括重力约束、磁约束、惯性约束。重力约束主要是依靠强大的引力将等离子体压缩,仅能在恒星的核心中实现。目前,人类开发可控核聚变技术,主要是磁约束惯性约束的方式为主。




磁约束:托卡马克



磁约束是使用强磁场中的洛伦兹力将等带电的离子体约束起来的技术。

最著名的磁约束技术路线是托卡马克(Tokamak)。托卡马克是在50年代由苏联科学家开发,是俄语环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、线圈(kotushka)缩写。此类装置特征在真空腔体中,核聚变燃料等离子体在线圈电流产生的极强磁场作用下,形成环形流体运转。



*来源:联合国原子能机构(IAEA)官网

托卡马克实现可控聚变也存在关键性问题。由于托卡马克等离子流体内圈磁密度高于外圈,内外环流速度不一样,容易造成流体不稳定。因此还需要在环形中增加径向的磁场,使内外圈的等离子体发生扭转运动,从而使流场呈现出“麻花”形。这一类扭转也使流场更容易发生湍流,导致等离子体的流动稳定性不佳,易发生流体破裂,聚变反应停止。

此外,高温等离子体的约束需要极强的磁场,普通的永磁体无法实现,需要电流巨大的电磁体来实现超强磁场。如果采用常规导体,将造成大量焦耳热能耗,降低聚变堆的Q值,并产生大量热量。因此,现在普遍使用超导电磁体作为磁场源。

托卡马克所代表的磁约束路线,是行业公认的主流技术路线,也被认为是未来最有可能成功的构型。早在上世纪70年代,中国从苏联购买T-7托卡马克装置开展研究,现阶段绝大多数核聚变装置均为托卡马克。




磁约束:仿星器



为了解决高速环流等离子体易破碎的问题,进一步提高约束的稳定性,美国物理学家斯皮策(Lyman Strong Spitzer, Jr.)提出仿星器(Stellarator)的构型概念。主要是通过复杂的三维磁场设计,平衡各方向的磁场,使内部等离子体流场形成类似“莫比乌斯环”结构。



*来源:德国马克斯-普朗克等离子体物理学研究所

仿星器构型通过这种方式的设计,可以抑制等离子流场内的湍流,使等离子体更稳定。但仿星器中复杂的磁场导致其易发生“新古典传输”现象造成能量损失,导致仿星器等离子体温度较难提高。此外,复杂的磁场设计,也使仿星器的装置建造难度大,建设和维护成本高。



惯性约束


惯性约束则是利用物质高速运动的惯性,将等离子体约束在特定领域中。

最常见的惯性约束方式是激光惯性约束技术。激光惯性约束是通过高能激光照射装有D-T燃料的直径几毫米的球型靶丸。高能激光迅速将靶丸外壳加热成等离子体,形成微型内爆,其反冲力将丸内聚变燃料迅速压缩至极高的密度,使核聚变发生。




*来源:Ian Bott,美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室

激光惯性约束技术曾长期受制于高能激光的性能制约,一段时间内没有技术进展。近年,随着激光技术的发展,该路线实验指标也在不断提高。2023年7月,美国“国家点火装置”NIF报告了聚变能量增益Q=1.89的世界记录【4】


04/ 著名的核聚变试验装置


截至2022年,全世界共有在运行的核聚变实验装置94座【5】,其中58%是托卡马克类构型,12%为仿星器类构型,6%为惯性约束类型,另有24%在进行其他技术路线的尝试。托卡马克仍是核聚变研究的主力。

1)“东方超环”(EAST)(中国)

“东方超环”全称为“先进实验超导托卡马克实验装置(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak,简称EAST)”,是在我国“九五”期间在安徽省合肥市建设的托卡马克型试验装置,2006年完成首次调试。EAST建成以来,不断取得新的突破。2023年4月12日21时【6】,EAST成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。

2)国际热核聚变实验反应堆(ITER)(多国联合)

ITER是一个由中、美、俄、日、韩、印、欧七方合作项目,装置位于法国南部的卡达拉舍【7】。但由于涉及多方利益博弈,建设进度已多次延期。原定于2005年完工的项目,自2009年才开始建设,目前建设进度已达到约80%,预计2025年完工。ITER是人类迄今为止建设的最大的托卡马克核聚变装置,其最主要的研究目标是将核聚变的能量增益指数Q提升至10以上。

ITER在中国:

ITER项目中,中国承担了大概9%的采购包研制任务,涉及多个子系统。其中,西部超导(688122.SH)是国内唯一入选的低温超导线材供应商。



3)文德尔施泰因7-X(W7-X)(德国)

W7-X是世界上最著名的仿星器构型核聚变实验装置,由德国马克斯·普朗克等离子体物理学研究所建造。2022年秋成功重新调试后,W7-X装置取得了一些重大突破。已经实现了1300MJ的能量周转。此外,还创造了放电时间的新纪录,热等离子体保持了8分钟。W7-X争取在几年内达到连续运行半小时的目标【8】

4)国家点火装置(NIF)(美国)


*来源:美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室官网

NIF是人类历史上最大的激光惯性约束核聚变实验装置,建造于美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室。NIF的主要目标是将500TW(即50万GW)的能量在1微秒内击中燃料球体,使其发生均匀的内爆坍缩引发核聚变。为了实现这一目标,NIF一共采用了192束激光束来进行照射【9】。NIF至今保持着人类可控核聚变实验能量增益1.89的记录【4】。然而这样的结果存在着一定的“水分”。为了产生2.05MJ的激光,整个装置在前期一共消耗了约300MJ的能量【10】,其实际总能量收益远低于1。


05/ 可控核聚变还有多远?


2020年以来,全球对商用可控核聚变掀起了一轮新的投资热潮,全球共有10余家创业公司获得了融资,总融资额已经突破60亿美元。国内也有数家企业也开展了商用可控核聚变研究。

目前,业内创业公司以小型高温超导托卡马克构型为主。由于紧凑的小型托卡马克聚变堆具有体积小巧、投资少、结构简单等优势,绝大多数的核聚变初创企业都选择了此种构型方案。同时,这些企业通过使用高温超导磁体,在堆内创造了强磁场,以此增强对等离子体的约束。如美国CFS公司设计的SPARC磁场强度已达到20T【11】

1)迎接挑战的新途径

对于以托卡马克为代表的磁约束路线来说,最大的挑战是实现对等离子体流场的稳定约束。基于新技术的大尺寸、强磁场仍是最有可能实现稳定约束的途径。一方面,大直径的环形流场具有较大的转弯半径(大半径R),抑制了流场的不稳定性;另一方面,大尺寸装置中更宽(小半径a)的流场芯部更容易达到较高的温度与密度;再一方面,更强的磁场强度(B)给予流场更强的约束,进一步提高流场的稳定,以YBCO为代表高温超导材料使获得更强磁场成为可能。此外,如今也有部分公司开始引入AI来帮助控制复杂的磁场,进一步延长磁约束时间。


*来源:F. Wagner, Physics of magnetic confinement fusion. The European Physical Journal Conferences 54, 2013, DOI: 10.1051/epjconf/20135401007.

上个世纪90年代,科学家使用11个托卡马克装置的1398个数据点,构建了一些列数学模型,其中名为ITER98,y2的模型【12】计算结果与实测值具有相当好的拟合性。


根据描述聚变堆约束时间的公式{ITER98,y2},其数学表达式为:


其中,Bt代表磁场强度、R代表环形流场大半径、a代表流场宽度小半径。从上述公式中可以得知,使用强磁场、大尺寸的聚变装置,可以得到更长的约束时间,可控核聚变的发生将更加容易。在这一理论的指导下,将上述理论线进一步外推,便是建设ITER装置的理论基础。

由此我们可以判断,未来大尺寸的高温超导聚变装置,可能是最先突破的技术方案

2)实现"取火"的时间点

上世纪末,科学界对21世纪实现可控核聚变普遍乐观。如果2005年ITER如期完成,“核聚变摩尔定律”将继续延续,并在十年内达到实用化。然而,由于上世纪末的国际政治、经济局势动荡,ITER的频繁跳票,让这一进程大幅度延后。



*来源:A. J. Webster, Fusion: Power for the future, Physics Education, 2003, 38 135.

核聚变技术经历了半个世纪的快速发展,其发展速度堪比“摩尔定律”,即每1.8年,核聚变技术的劳森判据三乘积将增长两倍。


现在距离可控核聚变的实现其实仅有“一步之遥”以人类现有的技术水平,可以将三重积的指标达到10^22,达到勉强的能量收支平衡(即Q=1);当进一步达到10^23时(Q=10)则可以实现商用。ITER预计将于2025年前后建设完毕,随着相关资源的继续投入以及高温超导材料、AI控制技术等相关技术在近20年的发展,“核聚变摩尔定律”有望继续发挥威力。若按照这一速度,此后10余年,人类实现可控核聚变是十分有可能的。

中国计划在2035年建成的大型CFETR装置(半径5.7m)的目标之一,就是踩在这一时间节点实现工程级验证,若其目标达成,意味着中国将掌握可控核聚变实用化技术。

综上,笔者持有如下观点:

  1. 人类最先可能实现具有实用价值的可控核聚变方案,应为大型化的高温超导托卡马克方案

  2. 大型化试验装置的建设资金庞大、涉及领域众多,对单个创业公司难度较高,需要以“举国之力”投入资源进行建设与研究

  3. ITER、CFTER等大型化标杆装置建成后,行业可能出现新的重大技术进展,进一步吸引政府、资本投入技术开发,技术发展将进一步加速,人类有望在10~15年触摸到商用可控核聚变的门槛



结 语

在希腊神话中,普罗米修斯为人类盗取了天火,人类从此开始进入文明时代。能够创造太阳实现可控核聚变,对人类文明的意义不亚于学会用火。

未来可控核聚变这位“新普罗米修斯”究竟会何时降临?

我们将拭目以待。


参考文献:

[1]https://cn.nikkei.com/industry/scienceatechnology/50825-2022-12-14-11-07-17.html,“美国实现核聚变产出能量大于投入量”,2022年12月14日,日经中文网.

[2]Ao Li, Xiao Chen, Lijian Song, et al. Taking advantage of glass: Capturing and retaining of the helium gas on the moon, Materials Futures, 2022, DOI: 10.1088/2752-5724/ac74af.

[3] R. M. Magee, K. Ogawa, T. Tajima, et al. First measurements of p11B fusion in a magnetically confined plasma, Nature Communications, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-36655-1.

[4] https://lasers.llnl.gov/news/llnls-nif-delivers-record-laser-energy, “LLNL’s NIF Delivers Record Laser Energy”,劳伦斯利福摩尔国家实验室. 2023-11-16报告.

[5] “World Survey of Fusion Devices 2022”,IAEA,2022.