一文了解核聚变产能：期望与现实
Adam Stein
美国突破研究所核能创新项目主任
能源问题是一个戴在人类头上的紧箍咒，而寻找清洁、丰富的能源则成为各国孜孜以求的目标。可控核聚变被誉为清洁能源领域的“圣杯”，由此也被寄予无限期待。几十年来，等离子体物理学家一直认为，核聚变反应总有一天会提供一种安全且可能取之不尽的低碳能源。2022年，美国的NIF实验室成功实现了能量增益的核聚变反应，标志着技术上的重大突破。核聚变实验距离实际应用还面临着哪些挑战？核聚变技术能在多大程度上改变未来的能源格局？
随着全球人口和能源需求的急剧增加，清洁能源市场越来越大。
利用最新技术，可在核聚变反应中实现净增能量，但由于整个实验装置耗能仍大于产能，所以无法实现商业盈利化。
核聚变理论上有潜力提供无穷无尽的清洁能源，但实际应用还须大量研究。
核聚变技术需要接受严格、全面的监管，国际原子能机构应在确保不扩散和监督方面承担起责任。
也许有一天，核聚变产能会成为人类社会的根本性基础设施，但目前还很难预测会在何时、以何种方式实现。
01
人类掌握了用核聚变产生能量的技术吗？
我们能在有限范围内通过核聚变产生净增能量。
2022年，美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火设施（NIF）成功创造了一种释放能量多于消耗能量的核聚变反应，这一过程称为激光点火聚变。NIF装置使用了全球192个能量最高的激光器，向氘和氚发射高达400万焦耳的紫外线能量。靶标约为胡椒粒大小，悬挂在黑腔中——一个小型X射线“烤箱”。当被强大的激光击中时，其温度高达300万摄氏度，导致燃料内爆，为核聚变创造条件。2022年12月5日，NIF实现了能量增益，传输到靶标的2.05兆焦耳激光能量产生了3.15兆焦耳的聚变能量，从靶标中释放出的能量比投入的能量多。此次成功“点火”，是核聚变技术的重大突破。
02
但是，实验产生的能量还不够整个实验装置使用
总的来说，实验装置仍发生了大量的能量净损失。具体而言，靶标发出的1.1兆焦耳净能量约为0.306千瓦时，将这些能量转化为电能，只能让一个5瓦的LED小灯泡亮20个小时。此外，NIF科学家估算，NIF激光设备整体运行所需的能量比激光传输给靶标的能量高100倍左右。
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何时才能达到“能量增益”的关键点？如何达到？尚不确定
未来的研发必须提高装置本身的能量效率，才能确保产能多于耗能。可以使用超导体等更节能的组件减少系统耗能，也可以调整隔热装置，或者使用人工智能控制系统，实现比人类更快的操作速度。改进设备的材料和组件，则有望提升其功率。为此，可考虑使用能承受极端温度的材料、设计更强的磁体，以更好地控制聚变反应中的等离子体。另一个思路是优化聚变反应发电技术。
04
核聚变有望成为取之不尽用之不竭的清洁能源吗？
核聚变的确是一种清洁能源。
核聚变产生的放射性废物比核裂变少得多。当然，随着技术的发展，无论是聚变还是裂变废物都可再利用。但是正如核裂变技术一样，核聚变也需要接受严格、全面的监督，以防被用于制造杀伤性武器。虽然聚变反应和聚变设备不能直接制造武器，但是会产生大量的中子。
图片来源：PI France
一方面，这些中子可作为后续聚变反应的燃料——许多聚变设备中含有增殖层，可起到隔热作用，且衬有特殊材料，能捕获中子以产生更多氚。增殖层里可以包含铀或钍捕捉中子，但是铀或钍一旦受到辐射，会形成铀-235——核武器原料。从技术角度而言，只要在包层模块中使用锂-6，便可以阻止生成铀-235，但这就需要国际原子能机构在确保不扩散和监督方面承担起责任。
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核聚变产能近乎无限，但这并不等同于实际可用的能量源源不断
一些最新的聚变能源技术理论上产能比耗能多，从这个角度而言，聚变产能的确“近乎无限”，但这并不意味着所有能量都会转化成社会实际可用的能源。建造运营核聚变发电厂非常昂贵，社会是否愿意为此埋单？这也取决于核聚变电厂如何与其他既有的清洁能源系统互相兼容。
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核聚变何时才能为社会供能？尚不确定。
我乐观地认为核聚变最终将为世界部分地区提供清洁能源，但不太可能完全代替碳燃料。核聚变产能起步较晚，落后于其他已大规模部署的清洁能源。不过，未来必将有新的核聚变技术突破，只是时间的问题。
07
初创公司准备将核聚变技术市场化？
已有初创企业表示即将建设产业化试点。
几家颇具豪情壮志的初创企业已宣布了时间表。美国企业Helion承诺在2028年前运营核聚变能源厂[1]。美国核聚变工业协会（Fusion Industry Association）2023年的行业调研报告中指出，多家企业认为核聚变发电厂将在2035年之前接入电网[2]。核聚变企业通过技术迭代，一步一个脚印地向着目标前进。NIF成功的“点火”实验为未来相关研究提供了宝贵的数据，特别是激光点火类聚变研究。一些企业尝试使用AI优化核聚变工艺，初步成果较为乐观。不过，研究成果距离市场化还有很长的路要走。
08
但是，没有哪家初创企业能在短期内在市面上发布核聚变技术产品
初创企业还有两大难关须要客服：一是验证系统的净能量增益和总体增益，二是实现具有盈利性的规模化。虽然企业都想明确研发进度时间表，但技术突破何时到来毕竟难以预期。
09
核聚变技术的商业价值经得起验证吗？尚不确定
核聚变技术尚未得到充分验证，仍属于高风险投资。这与15年前投资太阳能电池不一样：当年，太阳能发电效率已达20%。现在的核聚变更像40年前的太阳能——效率只有1%，推广面还非常小。初创企业想验证概念，首先得要把试点发电厂建好，而筹集足够的资金或存在困难。新技术在早期必然会经历坎坷，第一代核聚变电站可能既成本高昂，又不稳定。尽管如此，鉴于替代化石燃料的迫切需要、全球人口飙升以及发展中国家不断增加的能源需求，核聚变清洁能源未来将具有巨大市场潜力。
作者
Marianne Guenot
编辑
Meister Xia
1. https://www.helionenergy.com/articles/helion-announces-worlds-first-fusion-ppa-with-microsoft/
2. https://www.fusionindustryassociation.org/wp-content/uploads/2023/07/FIA%E2%80%932023-FINAL.pdf
