美拟加速推进聚变能商业化进程

2022 年3 月17 日，美国白宫科技政策办公室和能源部在白宫联合举办首届聚变峰会，召集来自政府、行业、学术界和其他利益相关方的领导人，共同探讨聚变能技术发展前景及其面临的挑战。美国政府在此次峰会上宣布，将领导相关各方制订未来十年商业聚变能发展战略，目标是加速聚变能这一清洁能源技术的商业化进程。

聚变能被视为终极能源，能够帮助人类摆脱对化石燃料的依赖、进入全新的能源时代。但实现聚变能的商业化应用需要解决大量技术和工程难题，被美国国家工程院评为人类在21世纪面临的14大科技挑战之一。近年来，受益于长期研究的积累及相关科学技术的进步，聚变能技术在全球范围内迎来一波研发热潮。除了美国、英国、法国等国政府资助的研究项目，全球30多家私营企业正在开展聚变能技术研发，提出了多种有助于实现聚变反应堆小型化的受控聚变新方案，并积极推进多座聚变示范设施的建设，2021年在聚变能技术开发方面的投资超过25亿美元。许多公司认为，在20世纪30年代实现聚变能商业应用是一个可以实现的目标。在这一背景下，美国政府认为，现在是时候加速推进商业聚变能研发。

1 美国聚变能研发现状

美国政府和私营企业近年来均在积极开展聚变能技术研发，并已取得大量研究成果。

1.1 能源部

能源部一直在其科学办公室“聚变能科学计划”下切实支持聚变能技术研发。该计划是美国聚变能研究的最大国家资金来源，2021—2023财年的经费或预算申请额分别为6.72 亿美元、7.13 亿美元和7.23 亿美元。科学办公室在该计划下管理着两座大型聚变能研究设施，即DIII-D国家聚变设施(DIII-D)和国家球形托卡马克实验升级设施（NSTX-U），可供国内外研究人员开展聚变能研究。

DIII-D位于加利福尼亚州圣地亚哥，由通用原子能公司运营，1986年投运，是美国最大的磁约束聚变能研究装置，大半径1.7 米，小半径0.6米，最大等离子体电流2 兆安培，最大环形磁场强度2.17 特斯拉，能够产生各种形状的等离子体，并拥有50多种诊断系统，主要用于开展托卡马克磁约束基础研究。目前有100 多家研究机构的约600 名研究人员在使用DIII-D 开展聚变能研究。

NSTX-U位于新泽西州普林斯顿，2016年投运，由普林斯顿等离子体物理实验室运营，是全球功率最大的球形托卡马克研究装置，大半径0.93 米、环径比1.5，最大磁场强度1 特斯拉，最大等离子体电流2 兆安培，最大脉冲持续时间5秒。

能源部国家核军工管理局管理的国家点火装置（NIF）是当今世界上最大和最复杂的惯性约束聚变能研究装置。NIF 长约200 米，宽约85米，主要由两部分——即192路高能量激光系统和直径10 米、重约450 吨的靶室——组成，2021年8 月在实验过程中获得了创纪录的1.35 兆焦能量，比2020 年的最高能量提高24 倍，接近“点火”所需的1.9 兆焦能量，向成功“点火”迈进一大步。

能源部在此次峰会上宣布将开展两项支持聚变能发展的行动。一是启动一项倡议，目标是汇集国家核军工管理局、科学办公室、核能办公室、高级能源研究计划署等能源部内部相关机构的力量，与私营企业合作加速推进聚变能商业化应用进程。高级能源研究计划署聚变项目负责人斯科特·舒将担任能源部首席聚变能协调员，负责推进相关工作的开展，并直接向主管科学和创新的能源部副部长汇报工作。二是为聚变能科学研究提供5000 万美元资助：2000 万美元用于支持球形托卡马克研究，目的是加强对等离子体的模拟和科学理解；3000 万美元用于支持旨在延长燃烧等离子体持续时间的研究。

1.2 私营企业

美国有20多家私营企业正在大力开展商业聚变能研发。多家企业正在稳步推进聚变能示范设施建设，并于近期公布具有里程碑意义的研发成果。

1.2.1 TAE技术公司

TAE技术公司2021年4月宣布，其第五台等离子体发生器“诺曼”（详见图1）已产生超过5000万℃的稳定等离子体温度。

图1 TAE技术公司等离子体发生器“诺曼”外形

与通常以氘和氚为燃料的其他聚变能研究不同，TAE 技术公司拟使用的聚变燃料是氢和硼。氢硼聚变反应不会释放中子，而是仅产生三个α 粒子和X 射线。在整个反应过程中，燃料和产物均不含放射性物质，因此氢硼聚变被认为是最清洁的聚变能方式之一。但氢硼聚变的实现难度较大，因为其要求等离子体温度达到30 亿℃，是氘氚聚变反应的20 多倍。

TAE 技术公司的聚变能技术综合利用了先进加速器技术和等离子体物理学研究成果，其聚变平台是一个水平放置的圆柱体，周围环绕着圆形磁铁及其他辅助设备。其实现聚变反应的过程为：首先在圆柱体两端生成场反向位形（FRC）等离子体；然后使等离子体从两端高速向圆柱体中央移动，并在中央靶室碰撞融合，实现聚变点火。TAE技术公司计划最终实现氢硼聚变，但在达到足够的温度之前，将开展氘氚聚变研究。这种方案结构紧凑，能源效率高，能够用于建设20万～50万千瓦且经济性可媲美其他电厂的商业基荷电厂。

为在21世纪30年代初实现聚变能的商业化应用，TAE技术公司计划未来建设两座设施。一座是该公司的第六座等离子体发生器“哥白尼”。该设施将在超过1 亿℃的工况下运行，模拟传统氘氚燃料循环的净能量生产，帮助TAE技术公司获得将其技术用于氘氚聚变的许可，并推进氢硼聚变这一最终目标的实现。预计“哥白尼”将于2025 年投运。另一座是名为“达芬奇”的全球首座氢硼聚变能原型电厂。该电厂将于2030年并网发电。

1.2.2 Helion能源公司

Helion能源公司2021年6月宣布，其第六台原型聚变发生器“特伦塔”已实现超过1 亿℃的等离子体温度，该公司因此成为全球首家实现这一里程碑的私营聚变能研究企业。

Helion 能源公司正在开展以氘和氦-3 为燃料的脉冲非点火聚变能技术研发，并为此开发了一种名为“等离子体加速器”的装置（详见图2）。其聚变能发电过程共分为五步：第一，在装置两端分别将氘和氦-3加热到极高温度，形成等离子体，并使用FRC 磁场约束等离子体；第二，在磁场驱动下，两端的等离子体以每小时160万千米的速度向装置中央移动，在中央位置发生猛烈碰撞；第三，当碰撞发生时，使用强大的磁场对等离子体进行进一步压缩，直至达到引发聚变反应所需的高温1亿℃；第四，氘和氦-3在高温下发生聚变反应，释放大量聚变能，等离子体此时会在磁场约束下沿着轴向膨胀；第五，沿轴向设置的磁流体发电机利用霍尔效应，将高温等离子体的动能转化为电能，同时完成反应产物的冷却，冷却完毕的反应产物从两端排出，并再开始下一轮循环。该技术相对于其他聚变能技术有两点优势：一是使用氘和氦-3 作为燃料，聚变反应的产物中无中子，放射性小，反应过程易于控制，有助于进一步降低聚变装置体积率；二是这一系统可以直接生产电力，能提高能源效率，而其他聚变系统需要将水加热成蒸汽，然后使用蒸汽驱动汽轮机发电，这一过程会造成大量能量损失。

图2 Helion能源公司“等离子体加速器”外形

Helion 能源公司2021 年7 月在华盛顿州埃弗雷特正式启动其第七台原型聚变发生器“北极星”的建设。该设施将于2022 年初建成，并于2024年实现聚变反应的能量净输出。

1.2.3 联邦聚变系统公司和麻省理工学院

联邦聚变系统公司和麻省理工学院2021年9 月联合宣布，历经三年的努力，研究团队于当月首次将大型高温超导电磁体磁场强度提升至20特斯拉，这是全球同类磁体创造的最强磁场，为建设强磁场托卡马克聚变能示范电厂奠定了基础。

两家机构正在开展强磁场托卡马克聚变能技术研究。托卡马克核聚变装置的中央是一个环形真空室，外面缠绕着线圈，通电时装置内部会产生很强的螺旋型磁场，用于约束等离子体。一般而言，托卡马克装置聚变功率与磁场强度的四次方成正比，即磁场强度增加1 倍，聚变功率可提升16倍。因此，对于某一聚变装置，提高磁场强度可以大幅提高装置功率；如果要建设某一功率的聚变装置，提高磁场强度能够大幅缩小聚变装置的规模。

两家机构正在合作建设名为SPACE的首座聚变示范电厂。SPACE是一座紧凑的强磁场聚变示范装置，其大小相当于一座现有的中等规模聚变装置，大半径为1.65 米，小半径为0.5 米，环形磁场强度为12 特斯拉，等离子体电流强度为7.5 兆安培，聚变功率为5 万～10 万千瓦。预计SPACE 将于2025 年实现聚变反应的能量净输出。两家机构还计划于21世纪30年代初建成首座聚变电厂。

2 其他国家聚变能研发进展

英国、法国、加拿大和澳大利亚等国政府和企业也在大力推进聚变能研究，多家企业近期宣布取得重大进展。

2.1 英国

英国政府和相关私营企业正在稳步推进聚变能研发。商业、能源和产业战略部2021 年10月发布《英国聚变能发展战略》报告，为英国实现聚变能商业化应用指明方向，并设定两个具体目标：一是建成“用于能源生产的球形托卡马克”（STEP）原型聚变电厂，实现并网发电，以验证聚变能发电的商业可行性；二是建立英国聚变产业集群，未来实现聚变能技术出口。卡勒姆聚变能中心和两家私营企业（即托卡马克能源公司和第一光聚变公司）近期也宣布其聚变能研究取得重要成果。

2.1.1 STEP原型电厂

STEP 建设计划是英国当前最重要的聚变能国家计划，主要由英国原子能管理局负责，2019 年启动，目标是2040 年前建成一座原型聚变电厂。

STEP 将采用球型托卡马克设计，其建设计划将分为三个阶段：第一阶段是到2024 年完成概念设计，包括电厂的大致规模及主要系统设计；第二阶段将进行工程设计及技术研发，并取得启动建设所需的所有审批许可；第三阶段将正式开始原型电厂建设。目前尚处于第一阶段，即开展概念设计和选址工作。英国政府迄今已明确五个候选厂址，预计2022 年12 月选定最终厂址。

2.1.2 卡勒姆聚变能中心

英国卡勒姆聚变能中心2022年2月宣布，欧洲联合环（JET）在近期实验中创造了新的聚变能产生纪录，在5秒（聚变实验的持续时间）内产生59 兆焦能量，证明了聚变能在提供安全且可持续低碳能源方面的潜力。之前的纪录是欧洲联合环于1997年创造的22兆焦。此次实验期间的平均聚变功率约为1.1万千瓦，未超过1997年创造的1.6万千瓦功率纪录。

欧洲联合环位于牛津郡卡勒姆聚变能中心，1983年投运，是目前全球规模最大、功率最强的在运托卡马克研究装置，大半径3 米，小半径1.25 米，最大等离子体电流7 兆安培，最大环形磁场强度3.5特斯拉。

2.1.3 托卡马克能源公司

托卡马克能源公司2022年3月宣布，其原型聚变堆ST40已实现1亿℃的等离子体温度。这是太阳中心温度的7倍，并且是实现受控核聚变必须达到的温度。这是球形托卡马克装置首次达到这一重要里程碑。

托卡马克能源公司正在开展带有高温超导磁体的球形托卡马克研究，ST40 是该公司建成的第二座研究装置。该公司正在建设一座带有整套磁体的测试和示范系统，未来将能够测试所有高温超导磁体的相互作用，并能够首次示范这些磁体在托卡马克系统中的应用。该系统拟于2022年建成投运。该公司的目标是在21世纪30年代初完成聚变能技术的示范。

2.1.4 第一光聚变公司

第一光聚变公司2022 年4 月宣布，弹丸聚变能研究设施近期首次实现了聚变反应，并且这一结果已得到英国原子能管理局的独立核实。

弹丸聚变是一种新型惯性聚变能技术。第一光聚变公司认为这是一条最快、最简便且最廉价的聚变能商业化路径，因为这一技术不需要使用复杂且昂贵的激光器或磁体来产生或维持聚变条件，而是使用高速弹丸撞击靶丸，使靶丸内部的燃料发生内爆，进而引发聚变反应。

实现弹丸聚变的一项关键技术是靶丸设计（详见图3）。除了装载燃料，靶丸必须还必须发挥放大器作用。放大器作用体现在两个方面，一是放大弹丸撞击导致的压力，进而向燃料传导更大压力；二是使燃料承受来自多个方向的压力，而不是仅承受来自撞击方向的压力，这一点对于聚变反应能否实现十分关键。

在近期实现了聚变反应的实验中，第一光聚变公司使用其大型两级超高速气体枪向含有燃料的靶丸发射弹丸。弹丸在与靶丸撞击前的速度达到了每秒6.5千米。由于靶丸的独特设计能够放大这种撞击效应，燃料在内爆时的速度达到每秒70千米以上。

图3 第一光聚变公司靶丸设计

同行评审发现，弹丸聚变能技术的平准化发电成本将低于每千瓦时0.05美元，与可再生能源的成本相当。第一光聚变公司计划在21世纪30年代初建设一座15万千瓦的中试聚变电厂。该电厂的造价将不到10 亿美元，能够每30 秒“点火”一次。

2.2 法国

法国卡达拉奇正在开展一个重大国际合作项目，即国际热核聚变实验堆（ITER）项目。该项目共有七个参与方，即欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国，目标是建设一座能产生50万千瓦聚变能的托卡马克聚变实验堆，研究氘氚聚变等离子体性质，发展核聚变工程聚变中子辐照下的材料特性，探索和平利用聚变能发电的科学和工程技术可行性，为最终实现建造商用聚变堆的目标奠定坚实基础。ITER 的造价估计为200 亿欧元（226 亿美元），其中约一半由欧盟承担，其他六个参与方分担另一半。

根据ITER 组织公布的时间表，第一个等离子体计划将于2025 年实现，氘氚聚变实验将于2035年开始。

2.3 加拿大

加拿大通用聚变公司2022年1月宣布“磁化靶”技术研究取得里程碑式成果：等离子体压缩原型装置已成功示范“磁化靶”聚变技术的关键要素。这座原型装置2021 年初投入运行，可在数十毫秒内驱动大型液体涡流腔发生有力但形状精确的对称塌缩。

通用聚变公司一直致力于“磁化靶”聚变能技术研究。这一技术的主要原理是：将氘氚等离子体团注入到一个液态金属的自旋涡流中，然后用一组活塞向内挤压。如果这种挤压在几微秒内完成，等离子体就会向心聚爆，达到发生聚变反应的条件。聚变反应会产生中子，中子能够与液态金属中的锂发生反应，生成更多的氚。

通用聚变公司与英国原子能管理局2021年6月宣布签署合作协议，未来将在卡勒姆园区建设并运营一座聚变示范厂。该厂的规模相当于商业中试厂的70%。它将在“电厂相关”环境中建立聚变反应条件，但不会用于发电。示范电厂将每天发射一次等离子体脉冲，并使用氘燃料。商业中试厂将使用氘氚燃料，并将每秒发射一次等离子体脉冲。

2.4 澳大利亚

澳大利亚HB11 能源公司2022 年3 月宣布，已完成全球首次原理性实验，证明使用拍瓦级激光器促发的氢硼聚变反应，可以高效产生α 粒子，其α粒子通量是预期通量的10倍。相关研究成果已刊载在近期出版的科技期刊《应用科学》（Applied Sciences）上。

HB11能源公司研发的氢硼聚变反应堆如图4所示。这是一个半径至少为1米的中空金属球体，内部装有电容线圈和氢硼燃料芯块。球体上的两个位置有孔，用于放置一对激光器。其中一个激光器发射的激光用于加速氢原子，使其与硼发生碰撞，激发聚变反应；另一个发射的激光用于激发电容线圈，产生用于约束等离子体的强磁场。应当注意的是，HB11能源公司准备直接利用聚变反应产生的α 粒子（带有正电荷）发电。

图4 HB11能源公司氢硼聚变反应堆

3 小结

聚变能是能源领域的游戏规则改变者，其商业化应用面临着极大的工程和技术挑战。经过数十年的发展，聚变能技术已成为全球能源技术的研发热点之一。近年来，除了传统托卡马克磁约束聚变和惯性约束聚变能研究取得重要进展，全球还涌现出有助于实现聚变电厂小型化的新技术方案，例如强磁场托卡马克、弹丸聚变能技术、脉冲非点火聚变能技术、“磁化靶”技术。聚变能技术的研究范围也得到拓展，从传统的氘氚聚变拓展到氢硼聚变和氘氦-3聚变。

美国认为，聚变能商业化应用研究已达到一个重要节点，未来十年是聚变能发展的关键时期，因此美国政府将推动相关各方加强合作，形成合力，共同推进聚变能的商业化进程。