核聚变真能2030年前并网发电吗？

燃料够人类用几万年？

它被捧为终极能源，却卡在技术突破、成本控制和资金持续投入的关口。

本文梳理解读技术路线全景、核心部件、全球项目进展。

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一、终极能源

1、原理

(1)反应过程

两个轻原子核,如氢的同位素氘和氚,在上亿摄氏度的高温和极高压力下,

克服彼此间的排斥力撞在一起,合成一个较重的氦原子核。

这个过程中会挤出多余的中子,这些中子带着巨量能量释放出来,这就是核聚变的能量来源。

简单说就是模仿太阳发光发热的原理,在地球上造一个小太阳。

(2)聚变燃料

现在全球都盯着氘氚组合。

首先是反应条件低,氘氚聚变只要1.5亿摄氏度就能启动,

其他燃料比如氘和氦3,得50亿摄氏度以上,难度差了好几个量级。

然后是能量输出强,每一次氘氚聚变能释放17.6兆电子伏特的能量,

比其他燃料更高效。

关键的是燃料来源广,氘藏在海水里,每升海水里的氘聚变能相当于300升汽油;

氚虽然自然界没有,但能用中子轰击锂来造,而锂在地球和月球上都有大量储量。

2、相比传统能源

(1)能量密度

核聚变的能量密度,是传统能源想都不敢想的。

1克氘氚聚变成氦,释放的能量相当于11.2吨标准煤燃烧的热量。

反观煤炭,1吨煤燃烧也就释放3000多千瓦时的电;

石油更差,1吨石油的能量还不到煤炭的两倍。

要是用核聚变供电,一座百万千瓦级的聚变电厂,每年只需要几十公斤氘氚,

而同等规模的火电厂,每年要烧几百万吨煤,差距直接拉满。

(2)零排放零污染

全球都在搞双碳,核聚变就是最完美的解决方案。

它反应过程中不产生二氧化碳,也没有像核裂变那样的长寿命放射性废物，

核聚变产生的放射性物质,半衰期大多只有几十年,而且量少,

处理起来比核裂变简单得多。

更重要是它没有爆炸风险,因为聚变反应需要极端条件,

一旦温度、压力不够,反应会立刻停止,不存在像核电站那样的堆芯熔毁风险。

(3)燃料近乎无限

传统能源最大的问题是越用越少,石油、天然气顶多再用几十年,

煤炭也撑不过百年。

但核聚变不一样,氘在海水中的储量,按全球目前的能源消耗算,能用上百亿年;

锂的储量也够支撑上万年。

就算未来能源需求翻十倍,核聚变燃料也能满足人类需求,

根本不用担心“能源危机”。

(4)供电稳定性

太阳能靠天吃饭,晚上和阴天就歇菜;

风能看风速,无风天也发不了电;

储能虽然能补一部分,但成本高、容量有限。

核聚变不一样,只要燃料不断,就能24小时稳定供电,

输出功率还能灵活调节,既能当基荷电源,也能补峰,

完全能替代现在的火电,成为电网的核心支撑。

3、技术指标

(1)等离子体温度

要让核聚变发生,等离子体温度必须够高，至少1亿摄氏度,

这是氘氚聚变的最低要求。

现在全球顶尖装置都已突破这个门槛,

中国EAST装置2025年实现1亿摄氏度下1000秒运行,美国Helion的装置甚至达到过1.5亿摄氏度。

但问题不在于短期达到高温,而在于长时间维持高温,

毕竟发电需要持续稳定的能量输出,偶尔达到高温没什么实际意义。

(2)能量约束时间

能量约束时间就是等离子体保持高温高压的时间,时间越长,

能量损失越少,反应效率越高。

早期托卡马克装置只能维持几毫秒,现在中国EAST能维持1000秒,

德国W7-X仿星器能维持43秒,虽然进步很大,但离商业化要求还远。

未来示范堆需要维持数小时甚至数天的稳定约束,

这还需要材料和磁场技术的进一步突破。

(3)氚自持

氚是聚变的关键燃料,但自然界没有,必须靠反应堆自己造,这就是氚自持。

简单说,就是用聚变产生的中子轰击锂,生成新的氚,

再把这些氚送回反应堆继续反应,形成循环。

衡量氚自持的核心指标是氚增殖比TBR,

只有TBR大于1.05才能保证循环(因为提取和储存过程会有损耗)。

现在全球都在研发氚增殖包层,

中国CFETR、欧盟EU-DEMO都把这个作为核心目标,但目前还没有装置实现完整的氚自持闭环。

(4)装置可利用率

可利用率就是装置一年中实际运行的时间占比,这直接影响发电效率。

现在实验室装置的可利用率不到1%,经常要停机维护、调试。

未来商业化电厂要求可利用率至少70%,这意味着装置要能长时间稳定运行,减少故障停机。

比如ITER计划未来可利用率达到25%,DEMO示范堆要达到50%,

每一步都是巨大的挑战,需要材料、控制、运维技术的全面升级。

4、技术难点

(1)材料耐受难题

核聚变反应堆里的环境有多极端?

上亿摄氏度的等离子体直接接触材料,还有高能中子不断轰击,

材料要同时承受高温、高压、辐照三重考验。

第一壁材料,要直接面对等离子体,表面温度能达到几千摄氏度,还得抵抗中子辐照导致的脆化。

现在常用的钨虽然熔点高,但在中子辐照下会变脆;

铍虽然轻便,但有毒性。

找一种能长期耐受这种环境的材料,是全球科研的重点。

(2)不稳定性难题

等离子体就像一团不听话的火球,很容易出现各种不稳定现象,

如撕裂模式、边缘局域模,这些都会导致反应中断。

以前控制等离子体全靠人工经验,反应中断是常有的事。

现在虽然引入了AI控制,比如谷歌DeepMind开发的系统能实时调整磁场,

提前预测不稳定性,但面对长时间运行,AI的控制精度和响应速度还需要提升,

如果一旦中断,重启又要耗费大量能量。

(3)能量转换效率难题

就算核聚变产生了能量,也得转换成电能才能用,这个过程的效率现在很低。

激光惯性约束装置,电能转换成激光的效率不到1%;

托卡马克装置的冷却、供电系统也会消耗大量能量。

现在全球都在研发更高效的能量转换技术,比如直接能量转换

不用先把能量变成热能再发电,而是直接把带电粒子的能量转换成电能,

效率能从现在的30%提升到60%以上,但这项技术还在实验室阶段。

(4)装置小型化、成本控制难题

早期核聚变装置都很大,比如ITER装置直径54米,重量达23000吨,

建造成本超过220亿美元,这么高的成本根本没法商业化。

现在的趋势是小型化,比如美国SPARC装置用高温超导材料,

体积比ITER小很多,成本也低不少。

但小型化面临的问题是磁场强度要更高,材料性能要求更严,

怎么在缩小体积的同时保证性能,还要控制成本,是未来十年的核心挑战。

二、技术路线

1、分类逻辑

(1)按约束方式划分

核聚变要实现,核心是把高温等离子体困住,按约束方式分,主要有引力约束、磁约束和惯性约束三大类。

引力约束就是靠自身重力困住等离子体,比如太阳,但地球没办法造这么大质量的装置,所以现在没人搞这个。

磁约束是用强磁场把等离子体关在磁笼子里,不让它碰到容器壁,这是目前最成熟的路线。

惯性约束是用激光或电流瞬间压缩燃料靶丸,靠燃料自身惯性维持聚变条件,适合短时高能输出。

(2)按燃料类型划分

不同燃料对应不同技术路线,现在主流是氘氚燃料,对应的技术路线包括托卡马克、仿星器、Z箍缩等。

还有一些小众路线,比如氢硼聚变,用质子和硼11作为燃料,优点是没有中子辐射,更安全,但需要的温度更高,现在只有TAE Technologies等少数公司在研发。

氘氦3聚变也是一个方向,氦3在月球上储量多,但地球少,而且反应条件也比氘氚苛刻,短期内很难落地。

(3)按商业化划分

从成熟度来看,磁约束里的托卡马克是第一梯队,全球有ITER、EAST、JET等大型装置,已经实现Q大于1,下一步就是示范堆建设。

惯性约束里的激光路线是第二梯队,美国NIF实现了实验室点火,但还没到工程化阶段。

Z箍缩、仿星器、场反位形等是第三梯队,虽然有突破,但还在实验室验证阶段,离商业化更远。

氢硼聚变、氘氦3聚变则是长期路线,可能要到2050年后才有可能落地。

2、磁约束聚变技术

(1)托卡马克主流路线

托卡马克是现在最成熟的技术路线,全球70%以上的聚变装置都是托卡马克。

它的原理很简单——用环形磁场和中心螺线管产生的螺旋形磁场,把等离子体关在环形真空室里,就像一个磁甜甜圈。

优点是工程可行性高,稳定性好,已经实现了长时间高温运行,比如中国EAST的1000秒运行,欧盟JET的69兆焦能量输出。

现在全球重点项目都是托卡马克路线,ITER、中国CFETR、美国SPARC,未来十年大概率是托卡马克先实现示范堆建设。

(2)仿星器

仿星器和托卡马克都是环形装置,但磁场产生方式不一样，仿星器用三维螺旋线圈产生磁场,

不用像托卡马克那样靠等离子体电流,所以理论上更稳定,能实现长时间稳态运行。

德国W7-X仿星器2025年实现43秒等离子体约束,证明了它的稳态优势。

但仿星器的缺点也很明显,线圈结构复杂到变态,加工精度要求极高,

建造成本比托卡马克高很多,现在只有德国、日本有完整装置,短期内很难大规模推广。

(3)磁镜

磁镜是直线型磁约束装置,两端磁场强,中间磁场弱,靠磁镜效应把等离子体困在中间。

优点是结构简单,建造成本低,容易实现高温。

但缺点也致命，等离子体很容易从两端逃逸,约束时间短,能困住的粒子比例低,

现在只有美国WHAM等少数装置在研究,主要用于基础研究,很难成为主流发电路线。

3、惯性约束聚变技术

(1)激光惯性约束

激光惯性约束是用多束高能激光轰击燃料靶丸,瞬间把靶丸压缩到高温高密度,触发聚变反应。

美国NIF是全球最大的激光惯性约束装置,2022年实现3.15兆焦能量输出,2025年又刷新到8.6兆焦,证明了激光路线的可行性。

但激光路线的问题很突出:激光能量转换效率低(不到1%),

靶丸制备成本高(每个靶丸要几百美元),

而且只能单次点火,不能连续运行,

现在主要用于核武器研究和基础科学实验,离连续发电还有很长的路。

(2)Z箍缩惯性约

Z箍缩是用强电流产生的磁场,把等离子体套筒压缩到中心,挤压燃料靶丸实现聚变。

优点是能量转换效率高,电能到X射线的转换效率能达到15%,比激光路线高很多;

而且装置体积小,成本低,美国Z Machine、中国聚龙一号都在这条路线上有突破。

中国先觉聚能还在规划Z箍缩聚变-裂变混合堆,预计2035年建设,2040年演示发电。

但Z箍缩的问题是重复频率低,现在还不能连续运行,而且等离子体套筒的稳定性需要提升,才能实现持续发电。

(3)磁惯性约束

磁惯性约束是介于磁约束和惯性约束之间的路线,用磁场辅助压缩燃料,

既有磁约束的稳定性,又有惯性约束的高密度优势。

美国Helion的Trenta装置就是这条路线,2024年实现1亿摄氏度高温,预计2028年实现50兆瓦发电,还和微软签了购电协议。

这条路线的优点是兼顾稳定性和效率,装置体积也不大,但技术复杂度高,

需要同时控制磁场和压缩过程,现在只有少数公司在研发,成熟度还需要时间验证。

4、其他非主流路线

(1)氢硼聚变

氢硼聚变用质子和硼11作为燃料,反应过程中不产生高能中子,没有辐射风险,是最安全的聚变路线。

美国TAE Technologies和日本合作,在LHD装置上实现了氢硼聚变实验,

但反应条件极其苛刻,需要30亿摄氏度以上的高温,比氘氚聚变高20倍。

现在还没有装置能长时间维持这么高的温度,而且能量输出效率低,

短期内很难突破,可能要到2050年后才有可能进入工程化阶段,适合作为长期储备路线。

(2)聚变-裂变混合堆

聚变-裂变混合堆是用核聚变产生的中子,轰击裂变燃料(比如铀238、钍232)产生裂变能量,同时实现聚变和裂变的能量输出。

中国先觉聚能规划的Z箍缩混合堆,就是这条路线,优点是降低了对聚变功率的要求,能量放大倍数高(能达到20倍),而且能处理核废料(比如乏燃料)。

但缺点是还是有裂变产物,不是纯聚变,而且系统复杂度高,适合作为纯聚变堆的过渡方案,帮助产业积累技术和经验。

(3)球形托卡马克

球形托卡马克是托卡马克的改进型,真空室呈球形,比传统托卡马克体积小、磁场效率高,建造成本更低。

英国ST80-HTS、中国SUNIST-2都是球形托卡马克,英国托卡马克能源公司预计2030年初实现并网发电。

这条路线的优点是小型化潜力大,适合分布式应用,但缺点是等离子体控制难度更高,偏滤器设计更复杂,现在还在验证阶段,能否成为主流还要看后续项目进展。

三、全球核聚变项目进展

1、中国项目

(1)国家队主导

中国国家队在核聚变领域布局早、投入大,核心项目包括EAST、BEST、CFETR。

EAST是全球首个全超导托卡马克,2025年1月实现1亿摄氏度下1000秒运行,创下世界纪录,现在正在升级,目标是实现100兆瓦连续发电。

BEST是紧凑型低温超导托卡马克,2025年10月完成杜瓦底座安装,预计2027年完工,目标是实现Q大于5,演示发电。

CFETR是中国聚变工程示范堆,预计2035年前建成,目标是Q大于30,为商用堆奠定基础。

这三个项目覆盖了实验堆、示范堆的全流程,技术路线清晰。

(2)民营企业

中国民营企业虽然起步晚,但发展快,在高温超导、紧凑型装置等领域有突破。

能量奇点聚焦高温超导托卡马克,研发了大孔径高温超导D形磁体,

累计融资近8亿元,预计2027年实现等效氘氚聚变反应,2030年后建成示范电站。

星环聚能建成了SUNIST-2球形托卡马克,正在推进CTRFR-1建设,目标是国内首个商用聚变堆。

新奥科技建造了玄龙-50U球型托卡马克,探索氢硼聚变解决方案。

这些民企的优势是机制灵活,能快速迭代技术,和国家队形成互补。

(3)技术特色

中国核聚变项目有两个明显特色:一是全超导技术领先,EAST、BEST都是全超导装置,比国外很多装置的超导比例高,能实现更长时间运行;

二是高温超导应用早,星火一号、能量奇点的项目都用高温超导材料,比国外同类项目进度快。

另外中国项目的国产化率高,从超导材料到核心部件,大多能自主生产,

西部超导的铌钛线材、东部超导的REBCO带材,都能满足项目需求,这为后续规模化建设奠定了基础。

2、美国核聚变项目

(1)私营标杆

美国私营企业是核聚变领域的主力军,核心项目包括CFS的SPARC、Helion的Trenta、TAE Technologies的氢硼聚变项目。

SPARC是高温超导托卡马克,投资30亿美元,预计2025-2026年实现Q大于1,2030年投入运营,目标是全球首个电网级商用聚变电厂。

Trenta是磁惯性约束装置,2024年实现1亿摄氏度高温,预计2028年实现50兆瓦发电,还和微软签了购电协议。

TAE Technologies的氢硼聚变项目,和日本合作在LHD装置上实现了实验,目标是2030年后实现商用。

(2)国家实验室

美国国家实验室在核聚变基础研究上有很强实力,核心项目包括NIF、DIII-D、NSTX-U。

NIF是激光惯性约束装置,2025年实现8.6兆焦能量输出,是全球激光聚变的标杆。

DIII-D是托卡马克装置,2024年突破20万次等离子体脉冲,为托卡马克的稳态运行提供了数据支持。

NSTX-U是球形托卡马克,2024年底完成改造,预计2025年重启,目标是研究高参数等离子体。

这些国家实验室的研究,为私营企业的技术创新提供了基础。

(3)政策支持

美国政府对核聚变的支持力度不断加大,2024年6月发布核聚变战略,明确要加快示范堆建设;

2025年9月和英国签署《大西洋先进核能伙伴关系》,缩短核电项目审批时间,从3-4年降到2年。

美国能源部还提供资金支持,比如给CFS、Helion等企业提供研发补贴,推动技术商业化。

政策支持加上私营企业的资本投入,让美国核聚变项目进展很快,是全球最具竞争力的势力之一。

3、欧洲核聚变项目

(1)跨国旗舰项目

欧洲核聚变的核心是跨国协作,最具代表性的是ITER和EU-DEMO。

ITER是全球最大的核聚变项目,由欧盟、中国、美国、俄罗斯等35个国家和地区合作建设,

2020年启动组装,预计2027-2028年实现首次等离子体,2039年开始氘氚聚变实验,目标是实现Q大于10。

EU-DEMO是欧洲示范堆,预计2035年开始建设,2050年运营,目标是Q大于10,为商用堆提供技术验证。

这两个项目整合了欧洲的技术资源,是全球核聚变的重要标杆。

(2)欧洲各国项目

欧洲各国也有自己的特色项目,比如英国的JET、德国的W7-X、法国的WEST。

JET是欧洲联合环,2024年在6秒内产生69兆焦聚变功率,创下托卡马克能量输出纪录,现在正在为ITER提供运行数据。

W7-X是全球最大的仿星器,2025年实现43秒等离子体约束,证明了仿星器的稳态优势。

WEST是法国的托卡马克装置,专注于全钨偏滤器技术,2024年在500万摄氏度下实现364秒运行,为ITER解决偏滤器问题提供了支持。

(3)欧洲核聚变优势

欧洲核聚变的优势在于技术积累深厚,尤其是在托卡马克和仿星器领域,有几十年的运行经验,培养了大量人才。

欧洲的跨国协作机制成熟,能整合各国的技术和资金,ITER的建设,欧洲承担了45%的成本,负责核心部件的研发和制造。

但欧洲项目的缺点是进度慢,官僚主义严重,ITER的建设多次延期,成本超支,这可能会影响欧洲在核聚变领域的竞争力。

4、其他国家

(1)日本

日本在核聚变领域的重点是先进材料和氢硼聚变。

JT-60SA是日本的托卡马克装置,2024年实现高参数等离子体运行,专注于先进材料的测试,比如钨合金、锂铅合金。

日本和美国TAE Technologies合作,在LHD装置上开展氢硼聚变实验,目标是探索安全的聚变路线。

日本的优势是材料技术领先,比如在钨材料、超导材料的研发上有很强实力,但项目规模小,资金投入不如中美欧,进展相对较慢。

(2)韩国

韩国的核心项目是K-DEMO,预计2035年开始建设,2050年运营,目标是实现Q大于30,商用堆技术验证。

韩国在核聚变领域的优势是工程能力强,能快速推进项目建设,比如K-DEMO的设计借鉴了ITER的经验,同时融入了韩国的自主技术,比如高温超导磁体的应用。

韩国还在研发小型聚变装置,比如KSTAR托卡马克,2024年实现1亿摄氏度下300秒运行,为K-DEMO提供技术支持。

(3)加拿大

加拿大的General Fusion公司聚焦磁活塞压缩技术,这是一种惯性约束路线,用磁驱动的活塞压缩燃料靶丸,实现聚变反应。

公司2025年完成LM26装置调试,预计2026年冲击聚变增益等于1,2030年后建成商用示范机。

这种技术的优点是装置体积小、成本低,适合分布式供电,但技术成熟度还需要验证,是惯性约束领域的一个重要补充。

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