随着核聚变商业化的热度持续升高,各类宣传、炒作仿佛终极能源已成为近在咫尺的技术,人类的星辰大海也已如囊中之物。最近一则报道里,记者采访中国科学院院士、国际核能院院士吴宜灿,其指出对聚变商业化发展路线应保持战略清醒。报道提到一组数据,在IAEA统计的174个装置中,托卡马克几乎占据半壁江山,达79个;仿星器/螺旋器次之,有31个;激光/惯性聚变装置位居第三,有15个;其他概念装置共49个。 2007年,国际热核聚变实验堆(ITER)在法国开建,这是目前全球最大的国际合作科学工程之一,由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国七方共同参与。数十年的聚变研究和几代聚变装置的成果共同促成了ITER的设计。而ITER本身,也正在为下一代装置——示范实验装置(DEMO)的设计贡献力量。示范实验装置将把聚变研究推进到原型聚变反应堆的门槛,使托卡马克能源更接近现实。 在ITER的设计、建造、调试和科学探索阶段所积累的知识与专有技术,对于后续托卡马克能源装置的概念设计极具价值。这些后续装置将探索连续或近连续(稳态)运行模式,研究高效能量捕获系统,实现Q值在30至50范围内的功率输出(ITER的Q值为10),并测试大规模发电及氚燃料自持技术。"示范实验装置"在国际聚变界被用作描述这类装置的通用术语。相比ITER,示范实验装置将是一个更为简化的装置,其诊断系统更少,设计更侧重于能量捕获而非等离子体状态的探索。所有ITER成员都在考虑不同的示范实验装置概念设计方案。 中国:计划通过建造中国聚变工程实验堆(CFEDR)来实现示范实验装置级别的装置。CFEDR将作为ITER与商业聚变电站之间的桥梁,目标包括演示产生1.5至3吉瓦的聚变功率、实现Q值15至30以及氚自持。此外,聚变技术综合研究设施(CRAFT)正在探索示范实验装置的关键技术,如超导磁体和偏滤器技术;而燃烧等离子体实验超导托卡马克(BEST)项目预计于2027年完成,作为CFEDR计划的先行步骤。 欧洲:计划在2050年前建成一座示范电站(DEMO),作为ITER之后用于发电的装置。该设施的概念设计正在推进,旨在通过生产约500兆瓦净电力并实现氚自持,来证明聚变能的技术和经济可行性。设计团队目前正专注于其增殖包层选择、偏滤器技术和第一壁设计,多个设计方案正在审议中。近期还提议建设一个基于等离子体的体中子源(VNS)设施,以测试为示范实验装置考虑的聚变核技术。 日本:计划在21世纪40至50年代完成JA示范实验装置(JA-DEMO),以演示数百兆瓦级以上稳定可靠的发电能力,以及1500兆瓦或更高的聚变功率输出。JA示范实验装置将设计用于演示氚自持、电厂可用性以及全厂范围内的正能量平衡。 印度:提议建造一个聚变功率为200-300兆瓦的聚变试验电厂,旨在确定功率性能、氚增殖及其在足够长脉冲下的再利用,并实现发电,然后在此基础上建造一个可在商业规模上复制的紧凑型示范反应堆。尚未公布具体时间表。 韩国:计划建造一个名为K示范实验装置(K-DEMO)的稳态示范反应堆,这是一个托卡马克反应堆,将在2050年后展示净发电能力。作为开发峰值场强达16特斯拉的K示范实验装置环向场磁体的先决条件,一个名为SUCCEX的超导导体实验测试设施正在建设中。作为2024年加速聚变能源实现战略的一部分,韩国宣布在K示范实验装置之前新增一个中间步骤——紧凑试验装置(CPD)。CPD的建设计划于2030年开始,目标是在十年内演示仅靠内部加热即可实现的点火等离子体以及氚自持。韩国还计划构建一个"虚拟示范实验装置"(V-DEMO)——一个基于超级计算、人工智能和数字孪生技术在数字空间中建造的聚变电站,以辅助K示范实验装置的设计活动。 俄罗斯:计划在2055年前建成基于托卡马克的示范实验装置-RF(DEMO-RF),以演示利用氘-氚(D-T)聚变反应产生吉瓦级电力。目前考虑的方案是一个采用高温超导磁体和液态金属面向等离子体组件(第一壁和偏滤器)的聚变-裂变混合设施。在示范实验装置-RF之前,俄罗斯计划于2033年建成示范实验装置-FNS(DEMO-FNS),这是一个D-T聚变功率为40兆瓦的(聚变-裂变)混合反应堆。此外,还有在2030年前完成一个带有反应堆技术的托卡马克(TRT)的计划。 美国:整合政府、国家实验室与私营企业力量,旨在快速将核聚变从科学实验推向商业应用。其技术路线并行推进磁约束 和惯性约束 等多种方案,并大力投资人工智能与高性能计算以加速研发。计划在2030年代建成示范电站,并在2040年代实现聚变能源的商业化并网发电,以此确保其在该领域的未来领导权和能源安全。 版权声明
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