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文檔簡介
可控核聚變產(chǎn)業(yè)市場分析1.可控核聚變:人造太陽,冉冉升起萬物生長靠太陽??煽睾司圩?,本質(zhì)上是在地球上模擬太陽內(nèi)部發(fā)生的氫核聚變反應。太陽為人類的生存?zhèn)鬏斄嗽丛床粩嗟哪茉?,不管是光伏、風電,本質(zhì)上都來自太陽能,為了獲得理想的、可持續(xù)的能源,人類不斷地向太陽探求,嘗試用對物理本質(zhì)的理解把太陽“搬運”到地球上來。1.1.從化石能源到核能,從裂變到聚變數(shù)千年來,人類經(jīng)歷了從化石燃料到核能的發(fā)展歷程,高熱值、長壽命、低碳化成為能源選擇的主要標準。相比其他能源,核能熱值高,燃料可開采年限長,清潔程度高,是目前人類可探索到最理想的終極能源??煽睾肆炎?、可控核聚變是和平利用核能的兩種方式。裂變開發(fā)早,技術成熟,目前已發(fā)展至第四代反應堆。聚變反應條件苛刻,仍處實驗階段。不過,相比裂變,聚變放能多、原料豐富、放射性廢物少、安全性高,是我國核能發(fā)展“熱堆-快堆-聚變堆”三步走的高階階段。核能本質(zhì)上是對于核反應的能量加以利用。核反應是原子核之間的反應,即核內(nèi)質(zhì)子、中子重新排布后形成新的元素;反應前后原子核總質(zhì)量不同,其輕微虧損會轉化為能量而釋放。其中,裂變可以理解為“打碎鏡子”,在中子轟擊下,鈾原子核會變成另外兩個元素的原子核和中子。聚變可以理解為“破鏡重圓”,由兩個氫元素的原子核發(fā)生碰撞,生成氦原子、中子。1.2.氘、氚作燃料,質(zhì)量變能量可控核聚變以氫為原料,原因在于氫的比結合能最小,核內(nèi)質(zhì)子、中子結合得最不牢固,越容易與其他原子核結合。氫的同位素有氕H、氘D、氚T,在眾多組合中,氘氚聚變(DT聚變)反應截面最大,能夠發(fā)生反應的范圍最大,所需促使原子核結合的外力(加熱、加壓)最小,反應難度最小,因此是目前最為主流的技術路線。氘氚燃料的獲取較為容易。其中,氘可通過電解重水得到,可供人類使用百億年。氚雖然在自然界中總量少且分散,但可在聚變堆內(nèi)用中子轟擊鋰6產(chǎn)生??煽睾司圩兛煞譃槿?,反應難度遞增,也越來越清潔。第一代為氘氚、氘氘反應,門檻相對較低,分別需要達到約1.5億度、6億度的高溫。第二代為氘氦-3反應,需要維持約8億度的高溫環(huán)境。第三代為氦-3氦-3反應,反應條件極為苛刻,需要達到20億度的超高溫,盡管如此,由于該反應不產(chǎn)生中子,不存在中子導致的材料損傷、放射性問題,清潔程度最高,仍然是當前研究的方向之一。1.3.聚變?nèi)胤e:高溫×高壓×約束時間聚變反應發(fā)生的條件較為嚴苛,需要足夠高的密度(n)、極高的溫度(T)和較長的約束時間(τE)。其中,高溫(T)確保了粒子有足夠的速度,來克服庫倫斥力并相互靠近,至少要達到1億度;密度(n)的提高增加了粒子碰撞的概率,至少要達到1020m-3;能量約束時間(τE)用來衡量熱損失的時間,該值越高意味著能量損失越慢,至少要>3s。將溫度、密度、能量約束時間相乘,得到聚變?nèi)胤e(n*T*τE),該值可用于判斷聚變效果。從另一個角度看,若想實現(xiàn)有效的聚變,輸出能量勢必要大于輸入能量,因此定義能量增益因子Q(聚變輸出功率/外部加熱功率),作為判斷聚變成功與否的指標。聚變?nèi)胤e越大,能量增益因子Q值也越大,兩者均需達到一定門檻,聚變才有效。這一門檻取決于聚變判據(jù):1)根據(jù)勞森判據(jù),只有聚變產(chǎn)生的功率能夠抵消外部加熱的功率,才能實現(xiàn)盈虧平衡,此時聚變?nèi)胤e為3×1021m-3·s·KeV,對應Q=1。2)根據(jù)點火判據(jù),無需外界輸入能量,聚變裝置就能自行運轉。在這種情況下,聚變?nèi)胤e至少要達到1022,對應Q=∞。從目前的工程實踐來看,勢必要有外部能量的輸入來維持聚變堆的運轉。國際熱核聚變實驗堆(ITER)制定了聚變?nèi)胤e>6×1021m-3·s·KeV以及Q>10的目標,旨在驗證聚變發(fā)電的可行性。未來,如果綜合考慮電-熱70%的加熱效率、聚變能-電能40%的發(fā)電效率,認為三重積>7.5×1021m3·s·KeV,對應Q>30時商用發(fā)電才算成熟。目前,主要的聚變堆仍在向Q=1邁進。2.“人造太陽”極高溫、極高壓,地球上如何承載為使聚變條件達成,需要采用一定的約束方式,如引力約束、慣性約束、磁約束。1)引力約束:主要在太陽內(nèi)發(fā)生,核心是靠高壓。太陽內(nèi)部溫度只有1500萬度,但由于其質(zhì)量大、引力強,能夠將氫向太陽中心擠壓,從而實現(xiàn)持續(xù)的聚變。2)慣性約束:核心是靠粒子自身慣性,達成瞬時的高溫、高壓。首先利用驅動器產(chǎn)生能量,沖擊裝有燃料的靶丸;靶丸中粒子由于具有慣性,無法迅速散布到周圍;此時粒子通過向心內(nèi)爆被壓縮到高溫、高壓狀態(tài),從而發(fā)生聚變反應。3)磁約束:核心是靠高溫,并用外界磁場對等離子體進行約束,從而實現(xiàn)持續(xù)的反應。其中等離子體是物質(zhì)的第四種形態(tài),是原子的電子被剝離后,所形成的由正負離子組成的氣體狀物質(zhì)。地球的質(zhì)量僅為太陽的33萬分之一,引力遠弱于太陽,無法產(chǎn)生與太陽等同的高壓環(huán)境,因而引力約束難以在地球上實現(xiàn);慣性約束系瞬時發(fā)生,難以實現(xiàn)持續(xù)輸出;磁約束是目前實現(xiàn)聚變能開發(fā)的最有效途徑。2.1.慣性約束:激光驅動略勝一籌慣性約束(ICF)的主要驅動方式包括高功率激光驅動、Z箍縮驅動和重離子束驅動等。目前激光驅動的慣性約束聚變(LICF)最為成熟,可分為直接驅動、間接驅動兩種方式。直接驅動是指激光束直接照射內(nèi)爆靶球,壓縮聚變?nèi)剂?,從而到達點火、自持燃燒條件。而在間接驅動中,激光先照射高Z材料組成的黑腔,黑腔產(chǎn)生X射線,再由X射線照射靶丸,使得靶丸發(fā)生內(nèi)爆,最終實現(xiàn)聚變。由于間接驅動具有較好的輻照均勻性,為當前主流的點火方式。激光慣性約束的優(yōu)勢在于裝置體積小,劣勢主要有兩個方面:其一,難以適用于核電站??梢詫⒓す鈶T性約束理解為用激光束引爆一個小型氫彈,反應在瞬時內(nèi)發(fā)生并結束,同時釋放巨大的能量,因此激光慣性約束更適用于軍工、國防領域。如果應用于核電站,則需要不斷打入激光來使得聚變反應持續(xù)進行,甚至達到10發(fā)/秒的頻率,這對于當前激光技術仍是較大的挑戰(zhàn)。其二,能量轉化效率低。激光慣性約束聚變需要先通電產(chǎn)生激光,再將激光打向靶丸,這一過程的電-光轉化效率僅為1%。而與之相對的磁約束,從通電到加熱燃料,電-熱轉換效率高達50%-60%。近年來,Z箍縮驅動的慣性約束聚變(Z-ICF)也逐漸成為慣性約束的重要發(fā)展方向。箍縮是一種“金屬絲電爆炸現(xiàn)象”,主要過程如下:電流通過金屬柱形薄套筒→套筒形成等離子體→在洛倫茲力下向中心壓縮爆炸。Z箍縮慣性約束聚變就是通過這種“內(nèi)爆”產(chǎn)生的力量來壓縮靶丸,創(chuàng)造高溫、高壓環(huán)境從而實現(xiàn)聚變。相較激光慣性約束,Z箍縮慣性約束的主要優(yōu)點在于能量轉化效率更高。在Z箍縮慣性約束的基礎上,我國開發(fā)出了Z箍縮驅動聚變-裂變混合堆(Z-FFR)。該混合堆由Z箍縮驅動器、能源靶、次臨界能源包層構成,多出來的一層“次臨界能源包層”可以理解為一個“裂變堆”。聚變產(chǎn)生的高能中子將在裂變堆中減速,然后轟擊U235、U238來發(fā)生裂變。2.2.磁約束:托卡馬克一枝獨秀磁約束的主要裝置包括磁鏡、仿星器、托卡馬克(Tokamak)等。其中,托卡馬克是目前實現(xiàn)粒子約束的主流裝置,約束效果好、裝置結構相對簡單。2.2.1.托卡馬克工作原理:獲得等離子體→持續(xù)加熱至高溫→發(fā)生聚變反應→實現(xiàn)自持燃燒托卡馬克的工作原理可以分為四個步驟:獲得等離子體、持續(xù)加熱至高溫、發(fā)生聚變反應、實現(xiàn)自持燃燒。1)獲得等離子體:在氘、氚燃料進入裝置后,首先利用磁場生成的電場擊穿燃料,將氘氚原子核的核外電子剝離,使其成為含原子核、電子的等離子體。2)持續(xù)加熱至高溫:利用中央螺線管的歐姆加熱將真空室內(nèi)溫度加熱至2000萬度,再利用輔助加熱系統(tǒng)加熱,最終達到約1億度的高溫條件。3)發(fā)生聚變反應:用磁場對等離子體產(chǎn)生約束,使之懸空高速旋轉,在高溫條件下持續(xù)反應。4)實現(xiàn)自持燃燒:反應后,產(chǎn)物α粒子由于帶正電,能夠被約束在等離子體內(nèi),并繼續(xù)為等離子體加熱。產(chǎn)物中子不帶電,無法受到約束,將轟擊內(nèi)壁中的鋰而產(chǎn)氚。這時,再通過燃料系統(tǒng)注入氘,并不斷為磁體系統(tǒng)的線圈通電。至此,高溫、磁場、原料再次兼?zhèn)?,反應周而復始。聚變發(fā)電依賴于反應產(chǎn)生的中子,中子在裝置內(nèi)壁減速直到完全停止,將動能轉化為熱能,再由冷卻水帶走,與熱交換器(蒸汽發(fā)生器)相連換熱,推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。2.2.2.托卡馬克五大主體結構:真空室、磁體系統(tǒng)、包層模塊、偏濾器、真空杜瓦本質(zhì)上,托卡馬克是一個將高溫等離子體約束在中央的裝置,因此需要設置磁體系統(tǒng)(Magnets),用磁力約束等離子體。該反應需要在真空環(huán)境內(nèi)發(fā)生,為此設置真空室(VacuumVessel),同時真空室還充當了支撐結構的角色。反應需維持在高溫,還會產(chǎn)生一定的中子輻射,真空室的材料和結構難以應對這一嚴苛的環(huán)境,因此在真空室內(nèi)側設置包層模塊(Blankets),來實現(xiàn)熱屏蔽、輻射屏蔽。未來,包層模塊還將承擔產(chǎn)氚功能,為聚變堆貢獻源源不斷的氚燃料。此外,反應過程中會產(chǎn)生雜質(zhì),如果飛入等離子體,將會妨礙其穩(wěn)定運行,因此在裝置的最底部裝有一圈偏濾器(Divertor),發(fā)揮類似“煙灰缸”的作用,來排出雜質(zhì)、氦灰。最后,在裝置的最外側,裝有真空杜瓦(Cryostat)。真空杜瓦類似于“保溫殼”,能夠保證裝置內(nèi)部的所有部件在工作溫度運行??偠灾?,托卡馬克采用了以堆芯等離子體為中心,從內(nèi)到外依次是包層模塊→真空室→磁體系統(tǒng)→真空杜瓦的“洋蔥狀”包裹結構。磁體系統(tǒng)是托卡馬克最重要的部件之一,本質(zhì)上是利用多種線圈對等離子體進行約束。首先,環(huán)向場線圈會產(chǎn)生“環(huán)向”磁場;其次,中央螺線管將推動環(huán)向等離子體電流的形成,環(huán)向等離子體電流會再形成一個“極向”磁場;兩個方向的磁場共同扭成“螺旋狀”磁場,使得等離子體無法從水平、垂直方向飛出。不過,由于環(huán)向磁場密度分配不均,等離子體仍有外擴趨勢,因此在外側設置極向場線圈,再產(chǎn)生一個外部的“極向”磁場,用來控制等離子體和容器壁的距離。此外,為了更精細地控制等離子體,還可采用校正場線圈、真空室內(nèi)部線圈等。包層模塊也是托卡馬克最重要的部件,由“馬賽克”狀的一個個模塊構成。每個模塊可分為第一壁、屏蔽模塊兩個部分。第一壁直接面對等離子體,屏蔽模塊緊隨其后,主要提供核屏蔽以及冷卻水。未來包層模塊將升級為增殖包層(BreederBlanket,BB),相比之前加入了產(chǎn)氚功能。該功能由增殖單元(BreederUnits,BU)實現(xiàn),由產(chǎn)物中子和鋰6發(fā)生反應而產(chǎn)氚。氚增殖劑、中子倍增劑、冷卻結構是增殖單元的三個主要組成部分。氚增殖劑是含有鋰的小球。中子倍增劑是能使中子實現(xiàn)增殖的材料,主要是為了防止產(chǎn)物中子損耗導致的產(chǎn)氚效率降低。同時,為了防止熱量堆積,該模塊還設置了冷卻結構,主要采用氦冷、水冷等方式降溫散熱。此外,增殖單元產(chǎn)生的氚并不能自動返回聚變堆,需要通過配套系統(tǒng)中的氚工廠來進一步處理。目前,增殖包層仍處于研發(fā)階段。為驗證這一技術的可行性,ITER設置了實驗包層計劃(TestBlanketModule,TBM),參與其中的國家將選擇不同技術路線,設計增殖包層所需材料、結構,最終在ITER中完成測試。按照氚增殖劑的不同,增殖包層可分為固態(tài)、液態(tài)兩種,考慮到當前的工程難度,大部分成員國在TBM中選擇了固態(tài)包層方案。我國采用了固態(tài)氦冷球床方案(HCCB),具體結構由U形第一壁、上下蓋板、增殖單元、背板組成。偏濾器采用“V”字幾何結構,由拱頂、內(nèi)部垂直部件、外部垂直部件、盒體構成。在運行中,雜質(zhì)、氦灰將在拱頂處改道,并在磁力線作用下,順著偏濾器V字形的幾何結構從兩側分流,最后由偏濾器下部的抽氣泵抽走。在這一過程中,拱頂、靶板直接面向等離子體,承受高熱負荷,其中靶板熱負荷高達20MW/m2,服役環(huán)境在裝置中最為嚴苛,必須通過高壓水流排熱。除此之外,托卡馬克還包括加熱與電流驅動系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)等配套系統(tǒng)。1)加熱與電流驅動系統(tǒng):主要用于加熱氘氚燃料,包括中性束注入加熱系統(tǒng)、離子回旋波加熱系統(tǒng)以及電子回旋波加熱系統(tǒng)。2)低溫系統(tǒng):主要為超導磁體等創(chuàng)造和維持低溫環(huán)境。由氦氣和氮氣制冷機組成,并通過分配系統(tǒng)的進行分配。3)冷卻水系統(tǒng):將等離子體中產(chǎn)生的熱量排放到環(huán)境中。4)診斷系統(tǒng):測量等離子體的溫度、密度等,以及時調(diào)整控制。氚工廠是未來聚變堆必備的配套系統(tǒng),其產(chǎn)氚效率將直接影響燃料供應的穩(wěn)定性。氚工廠主要與增殖包層配合工作,將其中產(chǎn)生的氚提取出來,再重新導入聚變堆,對應“外燃料循環(huán)系統(tǒng)”。此外,由于氚燃燒效率低,排灰氣體中仍有可用的氚燃料,這部分也可以通過氚工廠進行提取,對應“內(nèi)燃料循環(huán)系統(tǒng)”。同時,氚具有放射性,如果泄露可能會導致安全事故,為此需要設置“氚安全與包容系統(tǒng)”。2.2.3.托卡馬克的研制重點:超導材料、面向等離子體材料、增殖單元材料在托卡馬克中,一方面,強大的磁體系統(tǒng)是提高等離子體約束水平的關鍵,另一方面,嚴苛的反應環(huán)境可能會對于面向等離子體的材料造成損傷。為此,磁體系統(tǒng)、面向等離子體材料(PFMs)是當前研發(fā)制備的重點。未來,聚變堆將加入氚增殖功能,這將由包層中的增殖單元實現(xiàn),其中氚增殖劑、中子倍增劑制備復雜,性能對于產(chǎn)氚效率影響大,目前仍處研發(fā)階段。1)磁體系統(tǒng):傳統(tǒng)銅導線在通電后會產(chǎn)生電阻,發(fā)熱嚴重,無法維持長脈沖運行。而超導材料在達到一定溫度后,電阻會突然消失,從而能夠提供更強的磁場。根據(jù)超導性顯現(xiàn)溫度的不同,以“麥克米蘭極限”(39K)為界,高于的為高溫超導材料(HTS),反之為低溫超導材料(LTS)。低溫超導材料主要包括鈮鈦(NbTi)與鈮三錫(Nb3Sn),高溫超導材料以BSCCO(第一代)、REBCO(第二代)為代表,兩者均處于液氮溫區(qū)(77K)其中Bi-2223/Ag-Au、Bi-2212、YBCO發(fā)展較快。為達到超導工作溫度,超導材料需加工成CICC(Cable-in-ConduitConductor)鎧裝超導導體的形式。超導材料(也稱超導線材、電纜)多為圓線、帶材,在繞制成線圈后,會被裝在不銹鋼管內(nèi),之后在管內(nèi)通入液氦,通過液氦與電纜的直接接觸,來創(chuàng)造超導材料所需的低溫環(huán)境。低溫超導材料的主要問題在于性能。低溫超導材料的臨界磁場低,電流密度超過一定數(shù)值即失去超導態(tài)。因此,為實現(xiàn)目標聚變功率,聚變堆的規(guī)模不得不擴大。且低溫超導材料臨界溫度低,需要用昂貴的液氦進行冷卻,這導致冷卻成本高昂。高溫超導材料主要問題在于加工。高溫超導材料本質(zhì)上屬于氧化物陶瓷,相比鈮鈦、鈮三錫等合金材料,在經(jīng)歷拉伸、彎曲、扭轉等加工工序后,超導性能容易受損,且有可能會發(fā)生斷裂,難以形成柔韌的長導線。此外,高溫超導材料成本的降低對于聚變堆商業(yè)化具有關鍵意義。鉍系BSCCO的最低價格可望達到50美元/千安米,而釔系YBCO可下降為15-25美元/千安米。2)面向等離子體材料(PFMs):是指直接面對一億攝氏度高溫等離子體的材料,主要有包層第一壁、偏濾器靶板用材。由于面臨熱負荷、中子輻照、等離子體輻照三重負載,對材料性能的要求較為嚴苛。①高熱負荷:商業(yè)聚變堆第一壁的工作的溫度在1000℃以上,等離子體破滅時高達2000~3000℃。故需選用熔點高、傳熱性好、不易軟化的材料。②強中子輻照:氘氚聚變產(chǎn)生的14MeV高能量中子,會對第一壁材料進行沖擊,導致其嬗變成其他不穩(wěn)定核素。故需選擇低活化材料。③強等離子體輻照:真空室中氘/氚等離子體的輻照可能會引發(fā)內(nèi)壁材料濺射。若濺射的產(chǎn)物進入等離子體,可能會對等離子體造成干擾,導致其破滅,甚至致使等離子體撞向第一壁,引發(fā)爆炸風險。同時,PFMs若與氚反應,會導致聚變反應物減少。因此需選擇濺射率低、不易與氫反應的材料。PFMs的主要可選材料有碳基材料、鈹、鎢。碳基材料具有優(yōu)異的熱力學性能,是最早應用于包層第一壁、偏濾器靶板的材料。但碳基材料氫吸附力強,會導致原料被損耗,所以逐漸被其他材料取代。鈹原子序數(shù)低,質(zhì)量輕,濺射后對等離子體干擾小,目前主要作為包層第一壁材料。鎢最大的優(yōu)勢在于熔點(3400℃)高、熱導率高、熱膨脹系數(shù)低,所以適用于熱流沖擊最大的偏濾器靶板。同時,鎢也越來越成為包層第一壁材料的選擇。原先的托卡馬克中之所以沒有廣泛采用鎢,主要是因為等離子體約束的技術尚不成熟。面對高達100eV的等離子體能量,鎢的自濺射產(chǎn)額>1,容易導致濺射超標。而隨著等離子體約束水平的提高,等離子體邊緣能量基本能控制在幾十eV以內(nèi),鎢的濺射問題不再成為主要困擾。此外,液態(tài)金屬是PFMs的第二條路線,其能夠以流動形式自我更新,規(guī)避了固態(tài)材料壽命短、需替換的缺點。液態(tài)鋰是當前主要的可選材料之一,其原子序數(shù)低,濺射后對等離子體干擾?。豢梢猿惺艿淖罡邿嶝摵蔀?0MW/m2,高于鎢材料20MW/m2的極限。然而,鋰較為活潑,在高溫下易對裝置材料造成腐蝕,腐蝕產(chǎn)物可能會阻塞液態(tài)鋰流動的管道。同時,液態(tài)鋰如若泄露在等離子體、空氣中,均有可能引發(fā)安全事故,從而限制了其大范圍應用。目前,液態(tài)鋰主要用于限制器(limiter)第一壁,在我國HT-7、EAST等裝置中進行過試驗。3)增殖單元材料:為氚增殖劑、中子倍增劑用材。氚增殖劑可分為固態(tài)、液態(tài)兩類。固態(tài)氚增殖劑多使用硅酸鋰(Li4SiO4)、鈦酸鋰(Li2TiO3)等組裝成的“鋰陶瓷球床”;而液態(tài)氚增殖劑多使用金屬鋰和鉛組合成的“液態(tài)金屬共晶體鋰-鉛”(LiPb)。不同氚增殖劑對應不同的中子倍增劑材料,液態(tài)氚增殖劑LiPb自身就可實現(xiàn)中子倍增,而固態(tài)氚增殖劑則需匹配其他材料。Be由于反應截面大,易與中子發(fā)生反應,因而是中子倍增劑的優(yōu)選,具體可采用Be小球或Be12Ti。Be小球價值量高、制備工藝難,我國核工業(yè)西南物理研究院采用等離子體電極旋轉工藝(REP)制成,成為日本后第二個掌握該技術的國家。不過,Be小球各方面性能仍有待研究,特別是中子轟擊后的輻照性能、熱導率、機械性能、氚氣體流動性、安全防護等。2.3.聚變裝置發(fā)展史:邁向工程可行性驗證不論是采用慣性約束方式還是磁約束方式,聚變裝置都是在不斷提升三重積,來驗證聚變技術的科學和工程可行性。目前,磁約束總體處于從科學可行性驗證邁向工程可行性驗證的階段,慣性約束核聚變則還處于科學可行性驗證階段,仍需工程技術的持續(xù)突破。2.3.1.慣性約束:NIF達成Q值約為1.5的成就激光慣性約束的發(fā)展受制于激光技術。1972年,美國加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)研究出了激光慣性約束的直接驅動方式,但當時激光能量在100kJ以下,很難實現(xiàn)聚變。1975年,激光慣性約束的間接驅動方式在理論上被證實可行。在之后大量工程研究的基礎上,美國國家點火裝置(NIF)于2009年建成,并于2010年開始進行點火物理實驗。2022年12月13日,美國NIF宣告實現(xiàn)了Q值(Gtarget)約為1.5的成果,輸入能量為2.05MJ,產(chǎn)生能量為3.15MJ,突破了Q=1的瓶頸。但實際上,該結果只是聚焦于黑腔,并未考慮整個系統(tǒng)的能量增益。2.05MJ僅為激光照射到黑腔上的能量,考慮到較低的電能-激光轉化效率,完成這次實驗總共消耗了322MJ,如果將這一部分考慮在內(nèi),NIF距離工程增益Q>1仍有較遠距離。我國激光慣性約束的研究與美國基本同步。1964年王淦昌院士提出利用激光打靶產(chǎn)生中子的實驗想法,自此激光慣性約束研究開始,并由中國工程物理研究院(中物院)領導。經(jīng)過數(shù)十年的研究沉淀,我國自建的聚變裝置神光-II于2000年正式投入使用,神光-III主機激光裝置于2015年全面投入使用。2020年的最新記錄表明,神光-III的輸出功率已經(jīng)可達180KJ。在Z箍縮慣性約束聚變方面,我國的研究較為深入。2002年,中物院開始研制驅動電流達8-10MA的PTS(“聚龍一號”)裝置,目的是為了初步掌握驅動器的建造方法,該裝置最終于2013年建成。此后,基于這一技術,我國逐漸形成了聚變-裂變混合堆的概念。不過,Z箍縮物理問題復雜,目前的實驗平臺還無法對聚變點火進行直接的實驗驗證。2.3.2.磁約束:國家級科研院所主導,商業(yè)化公司切入賽道磁約束裝置規(guī)模大,主要由國家組織建設。磁約束以托卡馬克為主,最初由蘇聯(lián)領跑。自20世紀50年代起,蘇聯(lián)先后研制出了T-1~T-3裝置,取得了電子溫度達600~800eV的成就,為各國所矚目。自20世紀70年代起,各國紛紛開始研制大型托卡馬克裝置。美國普林斯頓大學的等離子體物理研究所(PPPL)率先將仿星器C改裝成為托卡馬克ST,復刻了蘇聯(lián)T-3的成果。在此之后,美國、歐洲、日本、蘇聯(lián)又推出了多種托卡馬克裝置,分別是美國普林斯頓的托卡馬克聚變試驗反應堆(TFTR)、歐洲卡勒姆(Culham)的歐洲聯(lián)合環(huán)形加速器(JET)、日本那珂市的日本圓環(huán)-60(JT-60)、前蘇聯(lián)的T-15,這些裝置在聚變?nèi)胤e上實現(xiàn)了從1017到1020的飛躍,與勞森判據(jù)所要求的1021已經(jīng)十分接近。20世紀80年代,國際熱核實驗堆(ITER,InternationalThermonuclearExperimentalReactor)應運而生,希望在各國的通力合作下,建成一個托卡馬克裝置,來驗證聚變的工程可行性。ITER于20世紀90年代完成概念與工程設計,并于21世紀初開始合作談判,歐洲、美國、中國、俄羅斯、日本、韓國這七方紛紛加入。ITER旨在實現(xiàn)Q=10的目標,在輸入50MW的加熱功率后,產(chǎn)生500MW的聚變功率,成為全球首個達到勞森判據(jù)要求的裝置。21世紀以來,我國磁約束托卡馬克的研究加速,主要單位有核工業(yè)西南物理研究院、中科院等離子體物理研究所。核工業(yè)西南物理研究院位于成都,隸屬中核集團,多年來逐步建成了中國環(huán)流器一號(HL-1,1984-1992)、中國環(huán)流器新一號(HL-1M,1994-2001)、中國環(huán)流器二號A(HL-2A)、中國環(huán)流器二號M(HL-2M)、中國環(huán)流三號等裝置。中科院等離子體物理研究所位于合肥,由中科院領導,主要的裝置有“東方超環(huán)”(EAST)。東方超環(huán)是世界上首個全超導托卡馬克,旨在實現(xiàn)等離子體的長脈沖穩(wěn)定運行。截至目前,主流磁約束裝置的Q值均未超過1,最高記錄是JET于1997年實現(xiàn)的0.67,此后一直難以復現(xiàn)。此外,日本的JT-60U實現(xiàn)了1.25的能量增益,但僅為氘氘聚變換算至氘氚聚變所得到的等效增益。在下一階段,各國將開始建設自己的示范核電廠(DEMO),以驗證聚變發(fā)電的可行性。目前,中國、歐盟、韓國、日本等已提出概念設計,分別為CFETR、EUDEMO、K-DEMO、JADEMO,預計將于2035年至2040年開始建設,并于2050年開始運營。此后各國還將發(fā)展商業(yè)電站(PROTO)。此外,緊湊型托卡馬克日漸成為第二條發(fā)展路線。根據(jù)聚變功率公式P~β2B4V,聚變輸出功率正比于磁場強度的四次方、裝置體積的一次方,所以可以通過提升磁場強度來縮小裝置體積。高溫超導技術是提升磁場強度的主要方式,該技術的成熟使得托卡馬克的小型化成為可能。小型裝置建造成本低、研發(fā)周期短,一方面推動了民營企業(yè)的入局,另一方面推動了聚變研究的加速。20世紀90年代,英國卡勒姆聚變能源中心開發(fā)出了球形托克馬克裝置。球形托卡馬克與傳統(tǒng)托卡馬克構成部分基本一致,僅利用球形設計來加強磁場利用率。英國TokamakEnergy、美國CFS(CommonwealthFusionSystems)是該領域的重要參與者。英國TokamakEnergy源自卡勒姆聚變能源中心,于2009年成立。2015年,公司率先建成了全球首臺完全高溫超導托卡馬克(ST25HTS),目前公司的裝置已迭代至ST40,未來還將繼續(xù)開展ST80-HTS計劃。美國初創(chuàng)公司CFS于2018年成立,并于三年后成功研發(fā)出了20特斯拉的高溫超導磁體,這是當今世界上最強的核聚變磁體。在此基礎上,公司正在建設全高溫超導球形托卡馬克聚變堆SPARC。由于使用高溫超導材料YBCO,SPARC大小僅為ITER的2%。公司計劃于2025年在該裝置上實現(xiàn)Q>2和聚變功率>50MW的目標。此后,公司還將建設商業(yè)示范堆ARC,計劃于2030年實現(xiàn)超過200MW的聚變功率,并在Q值上超過10。我國研制小型裝置的公司主要有四家,分別是新奧科技、能量奇點、星環(huán)聚能、聚變新能。2019年,新奧科技“玄龍-50”落地,并實現(xiàn)第一次等離子體放電。2023年,星環(huán)聚能與清華大學聯(lián)合建設了中國聯(lián)合球形托卡馬克2號(SUNIST-2),并獲得了100千安培等離子體電流。2024年初,能量奇點設計的全高溫超導托卡馬克洪荒70將按計劃開始運行。聚變新能于2023年成立,目前正在建設緊湊型聚變能實驗裝置(BEST)。3.按圖索驥,厘清可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)可控核聚變的約束方式不同,對應的裝置結構材料也不同。磁約束托卡馬克是當今最為成熟的聚變技術路線,在眾多裝置中,ITER規(guī)模最大、設計完備、結構復雜、環(huán)節(jié)眾多,建造涉及35個國家,是當前最具影響力的國際聯(lián)合項目。ITER裝置可分為主體部分、配套系統(tǒng)。主體部分研制難度大,主要包括磁體系統(tǒng)、真空室、真空杜瓦、包層模塊、偏濾器五個部分。配套系統(tǒng)需支撐龐大的裝置運轉,復雜性強,主要包括電源系統(tǒng)、加熱與電流驅動系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)等。ITER項目于2006年啟動,最初估算成本為50億歐元;但由于裝置部件延期、系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷,目前成本已增長至200億歐元。在成本拆分上,2002年美國DOE公開的數(shù)據(jù)可供參考。該測算立足于ITER實驗堆的定位與當時的設計進展,除了考慮到建造主體部分、配套系統(tǒng)所產(chǎn)生的直接成本外,還測算了包含項目承包、技術研發(fā)、集成調(diào)試的間接成本,以及備用和延遲交付設備的成本。直接成本在ITER總成本中占比為75%,其中主體部分成本、配套系統(tǒng)占比分別為40%、35%。在主體部分中,磁體系統(tǒng)涉及超導的研制,技術壁壘高、線圈數(shù)量大,成本高達21%。真空室體積大、耗材多,成本占比為6%。包層模塊所用鈹材料價格高、加工難,成本占比為5%。配套系統(tǒng)中,電源、冷卻水系統(tǒng)的技術已經(jīng)相對成熟,成本占比分別為6%、4%;加熱與電流驅動系統(tǒng)的作用在于為等離子體加熱,需要能夠提供高輸入功率,涉及物理問題復雜,仍處于設計階段,成本占比為6%。3.1.ITER項目由歐、中、俄、韓、日、美、印等7方30個國家參與,中方承擔9%ITER由各國以采購包形式分擔,其中歐洲承擔45.5%,其余各國承擔約9.1%。具體到各環(huán)節(jié),在主體部分:真空杜瓦由印度承擔,磁體系統(tǒng)除印度以外均有參與,真空室由歐、韓、俄聯(lián)合制造,偏濾器由歐、日、俄制造,包層模塊除印度、日本外均有參與。在配套系統(tǒng)中,我國主要承擔電源系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)兩部分。我國對于ITER的貢獻分為兩個方面,實物、現(xiàn)金分別占80%、20%。在實物方面,我國主要負責18個采購包,包括磁體支撐、校正場線圈、饋線接口、環(huán)向場導體、極向場導體、校正場線圈和饋線導體、第一壁、屏蔽包層、氣體注入、輝光放電清洗系統(tǒng)、診斷和脈沖高壓變電站、極向變流器電源系統(tǒng)、無功補償和濾波系統(tǒng)。截至2023年7月,ITER正式員工總數(shù)1093人。中方在ITER組織中正式職員95人,占職員總數(shù)的8.7%,僅次于歐洲。3.2.ITER主導下的國內(nèi)可控核聚變托卡馬克產(chǎn)業(yè)鏈在托卡馬克裝置方面,我國公司的訂單主要來自于ITER采購包、國內(nèi)大型聚變裝置,目前主要集中于主體部分,包括磁體系統(tǒng)、包層模塊、偏濾器、面向等離子體材料(包層第一壁、偏濾器靶板材料)、增殖單元材料(中子倍增劑)等環(huán)節(jié)。1)磁體系統(tǒng):超導材料工藝復雜,市場需求大。ITER以低溫超導材料為主,共需240噸NbTi超導線、400噸Nb3Sn超導線,我國分別負責150噸、30噸,主要由西部超導、白銀有色、寶勝股份等老牌材料、線纜企業(yè)供貨。與此同時,高溫超導材料為未來大型聚變堆的發(fā)展方向,也是當前緊湊型聚變堆的關鍵材料。我國研制高溫超導材料的企業(yè)主要有上海超導、上創(chuàng)超導、蘇州新材料(永鼎股份旗下企業(yè))、英納超導、翌曦科技等。2)包層模塊:ITER的包層
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