可控核聚变各类工艺发展情况

可控核聚变工艺技术总结

一、主要技术路径分类

1.磁约束聚变

-原理：利用强磁场约束高温等离子体，实现长时间稳定聚变反应。

-代表装置：

- 托卡马克：如国际热核实验堆（ITER）、中国环流器（EAST）、韩国KSTAR等。

- 仿星器：如德国Wendelstein 7-X（W7-X）。

- 球形托卡马克：如英国STEP项目、托卡马克能源公司的设计。

-特点：等离子体密度低（≈10¹⁴ cm⁻³），约束时间长（分钟量级），需超导磁体维持强磁场。

2.惯性约束聚变

-原理：通过高能脉冲（激光、离子束等）瞬间压缩和加热靶丸，利用惯性短暂维持聚变条件。

-代表装置：

- 激光驱动：美国国家点火装置（NIF）、中国神光系列装置。

- Z箍缩：如Zap能源公司的剪切流稳定Z箍缩装置。

- 磁化靶聚变：如通用聚变公司的活塞压缩液态金属衬里设计。

-特点：等离子体密度极高（100–1000 g/cm³），约束时间极短（纳秒量级），驱动器与反应器分离。

3.其他创新路径

-低温核聚变：通过质子/氘核束轰击靶核（如锂、硼）实现聚变，无需超高温等离子体。

-混合约束：如激光-磁约束混合驱动（贺贤土院士提出）、仿星器与高温超导结合（比邻星聚变公司）。

-剪切流稳定Z箍缩：通过等离子体流层间速度差维持稳定性（Zap能源公司）。

二、各类可控核聚变工艺的优缺点

目前可控核聚变主要有磁约束和惯性约束两大技术路线，它们在原理、装置和适用场景上各有特点。

简单来说，你可以将这两种路线想象成两种不同的“烹饪”方式：

磁约束类似于用一个超级保温锅（磁笼），文火慢炖，目标是实现稳定、持续的能源输出。它更适合解决人类社会未来的大规模基荷电力需求。

惯性约束则像是用极高的火力瞬间引爆食材，追求的是瞬间的巨大能量释放。它在基础科学研究和小型化应用方面潜力更大。

三、关键技术挑战与进展

1.共性挑战

- 能量增益 ：实现输出能量 > 输入能量（Q > 1），NIF已实现Q≈1.5–2.0。

- 燃料循环 ：氚自持技术（通过锂增殖包层产生氚）。

- 材料耐辐照 ：第一壁材料需耐受高能中子辐照（如钨偏滤器）。

- 等离子体控制 ：抑制撕裂模不稳定性（AI预测控制已应用）。

2.近年突破

- NIF点火成功 （2022–2024）：四次实验实现净能量增益，验证惯性约束可行性。

- JT-60SA运行 （日本-欧盟）：全超导托卡马克产生第一等离子体，支持ITER研究。

- 高温超导磁体 ：联邦聚变系统（CFS）、托卡马克能源公司推动紧凑化设计。

- 私营公司进展 ：Helion能源、通用聚变等计划在2030年代示范发电。

四、商业化前景与政策支持

1.各国战略

- 美国 ：“基于里程碑的聚变发展计划”提供资金，NRC制定聚变监管框架。

- 中国 ：成立国有聚变公司，推进CFETR工程，目标2040年建成示范堆。

- 欧盟 ：EU-DEMO路线图聚焦2050年发电，德国、意大利加大投资。

- 英国 ：STEP项目目标2040年发电，通过“聚变未来计划”培养产业链。

此图为2010—2024年国际原子能机构成员国对聚变能公司的权益投资变化

2.产业生态

- 私营企业参与 ：全球超45家公司，融资达73亿美元（2024年）。

- 电力应用 ：多数公司以发电为主流方向，工业供热、氢燃料为衍生市场。

- 供应链建设 ：高温超导磁体、氚循环、远程维护等技术快速成熟。

五、总结

当前可控核聚变技术呈现 多元化发展态势 ：

- 托卡马克仍是主流，但仿星器、激光惯性约束等替代路径进步显著。

- 点火验证（如NIF）和 超导技术突破加速了工程化进程。

- 政策与资本 驱动下，预计2030–2050年将出现首批示范电厂，但材料、氚循环等关键技术仍需攻坚。