中核集團(tuán)8月26日發(fā)布消息稱，8月25日下午，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”取得重大科研進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)100萬安培等離子體電流下的高約束模式運(yùn)行，再次刷新我國磁約束聚變裝置運(yùn)行紀(jì)錄，突破了等離子體大電流高約束模式運(yùn)行控制、高功率加熱系統(tǒng)注入耦合、先進(jìn)偏濾器位形控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，是我國核聚變能開發(fā)進(jìn)程中的重要里程碑，標(biāo)志著我國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運(yùn)行邁出重要一步。
(資料圖片僅供參考)
近年來，核聚變技術(shù)取得重大突破的消息不斷傳來，此次突破也意味著核聚變距離技術(shù)成熟又近了一步。那么，人造太陽離我們還有多遠(yuǎn)呢？廈門大學(xué)中國能源政策研究院院長林伯強(qiáng)對記者表示，雖然在技術(shù)上取得了突破，但從實(shí)驗(yàn)室到建設(shè)核電站的過程中充滿了不確定性，核聚變離真正的商業(yè)運(yùn)行還是很遠(yuǎn)。
目前，A股有多家人造太陽概念股，該消息公布后，相關(guān)概念股可能會受到關(guān)注。
什么是核聚變
簡單來講，核聚變反應(yīng)的本質(zhì)是原子核合并。以最容易實(shí)現(xiàn)的氘氚聚變?yōu)槔?，在一定條件下，一個氘核(由一個質(zhì)子一個中子組成)和一個氚核(由一個質(zhì)子和二個中子組成)會發(fā)生聚變核反應(yīng)，生成一個氦核(二個質(zhì)子和二個中子組成)，并放出一個中子。與此同時(shí)，融合時(shí)的質(zhì)量損失會釋放出巨大的能量。
在宇宙間，太陽就是最大的核聚變反應(yīng)裝置，其內(nèi)核中無休無止的氫聚變成氦的過程，為地球帶來了光能和熱能。
在20世紀(jì)50年代，不可控的氘氚聚變反應(yīng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，也就是利用原子彈提供高溫高壓而實(shí)現(xiàn)的氫彈爆炸。然而，若要將聚變時(shí)放出的巨大能量作為社會生產(chǎn)和人類生活的能源，則必須對劇烈的聚變核反應(yīng)加以控制，這就是科學(xué)家們正在攻克的可控核聚變。
基于反應(yīng)原理。核聚變具有能量密度高、原料來源廣泛和安全性高幾大優(yōu)點(diǎn)。
核聚變的能量密度非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤、石油和天然氣等傳統(tǒng)能源。1991年，歐洲聯(lián)合環(huán)型核裂變裝置成功進(jìn)行了首次氘-氚受控核聚變試驗(yàn)，核聚變比核裂變產(chǎn)生的能量效應(yīng)要高達(dá)600倍，比煤高1000萬倍。根據(jù)國信證券測算，1克氘氚氣體聚變產(chǎn)生的能量約等于5克鈾235裂變或18噸5500大卡煤炭燃燒所釋放的能量。
而氘可以通過提取并電解海水中的重水獲得，氚可以通過熱中子轟擊鋰6原子得到，并且海洋中的氘含量可以保證人類上百億年的能源消費(fèi)。資料顯示，海水中氘的含量為十萬分之三，即1升海水中含有0.03克氘，這0.03克氘聚變時(shí)釋放出的能量等于300升汽油燃燒的能量。據(jù)國信證券的簡單測算，氘氚聚變的燃料成本非常低，約為0.0050元/kWh。
相對傳統(tǒng)核電站所用的核裂變反應(yīng)，核聚變是真正的清潔能源，其安全性不取決于人的管理。從物理規(guī)律來看，核聚變不會產(chǎn)生放射性廢物，聚變反應(yīng)也可通過停止燃料供應(yīng)來中斷，不存在熔毀風(fēng)險(xiǎn)。
然而，核聚變反應(yīng)的條件十分苛刻。首先，原子核聚合需要上億度的反應(yīng)溫度。在高溫下，反應(yīng)原料會變成等離子體狀態(tài)，即帶正電的離子和帶負(fù)電的電子混合在一起的狀態(tài)。因此，還需要容納反應(yīng)原料并約束等離子體的裝置。
目前，磁約束是主要的研究方向，托卡馬克裝置（俄語“磁線圈環(huán)形真空室”的縮寫）成熟度較高。根據(jù)聚變堆約束等離子體的方式可將可控核聚變分為磁約束、慣性約束和重力約束，目前以能源為目的的研究主要聚焦于磁約束方向。作為磁約束的典型裝置，環(huán)形托卡馬克被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)可控核聚變的裝置。此外，球型托卡馬克主要用于基礎(chǔ)物理研究。
據(jù)了解，核聚變功率的提升與磁約束性能、中心磁場強(qiáng)度和裝置圓環(huán)半徑有關(guān)。除此之外，高溫超導(dǎo)材料、AI均能助力核聚變功率提升。
目前世界規(guī)模最大的試驗(yàn)堆是多國合作的ITER項(xiàng)目，最新預(yù)期2029年完工。我國最主要的兩個聚變試驗(yàn)堆分別是HL-2M（中國環(huán)流器二號M）和EAST（全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置），已取得1MA等離子體電流、1億度等離子體溫度和1000秒等離子體約束時(shí)間等多項(xiàng)成果。此外，CFETR（中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆）項(xiàng)目正在建設(shè)，其中二期項(xiàng)目規(guī)劃達(dá)到1GW功率，能量增益因子達(dá)到10，預(yù)計(jì)2035年建成。
國家能源安全關(guān)鍵科技變量
可控核聚變是我國核能發(fā)展“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略體系的重要組成部分，是解決國家能源需求、助推“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、促進(jìn)能源新體系構(gòu)建和保障國家能源安全的關(guān)鍵科技變量。
為實(shí)現(xiàn)聚變能源，需要提升等離子體綜合參數(shù)至聚變點(diǎn)火條件。磁約束核聚變中的高約束模式（H模）是一種典型的先進(jìn)運(yùn)行模式，被選為正在建造的國際熱核聚變試驗(yàn)堆（ITER）的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行模式，能夠有效提升等離子體整體約束性能，提升未來聚變堆的經(jīng)濟(jì)性，相較于普通的運(yùn)行模式，其等離子體綜合參數(shù)可提升數(shù)倍。
在實(shí)現(xiàn)百萬安培等離子體電流高約束模式運(yùn)行的基礎(chǔ)上，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”團(tuán)隊(duì)，將進(jìn)一步發(fā)展高功率加熱和電流驅(qū)動、等離子體先進(jìn)運(yùn)行控制等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)堆芯級等離子體運(yùn)行，研究前沿聚變物理，為我國開展聚變?nèi)紵龑?shí)驗(yàn)、自主建造聚變堆奠定基礎(chǔ)。
圖片來源：中核集團(tuán)
從1984年至今，中國環(huán)流器裝置已歷經(jīng)三代。資料顯示，2020年12月4日，由核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計(jì)、建造的中國環(huán)流三號裝置建成并實(shí)現(xiàn)首次放電。一小杯氫核燃料可以滿足一座住宅幾百年的電力需求。
理論上來說，需要將材料加熱到上億度并且維持一個巨大的磁場需要消耗巨大能量。只有在核聚變產(chǎn)生的能量大于消耗的能量時(shí)，也就是能量增益因子Q大于1時(shí)，核聚變才能自發(fā)的進(jìn)行下去，即完成點(diǎn)火，才有額外的能量可以轉(zhuǎn)化為電能，真正具有實(shí)用價(jià)值。
根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)，在過去50年的聚變實(shí)驗(yàn)中，聚變裝置的性能已提高了10萬倍，但要達(dá)到發(fā)電廠所需的性能水平，還需要進(jìn)一步提高。ITER的目標(biāo)之一是最終產(chǎn)生并保持Q值為5，Q值為5代表等離子體自行維持核聚變反應(yīng)的臨界閾值。
換句話說，即使在實(shí)驗(yàn)室中，現(xiàn)有技術(shù)也還未達(dá)到發(fā)電條件。
廈門大學(xué)中國能源政策研究院院長林伯強(qiáng)對記者表示，技術(shù)上的突破確實(shí)很重要，但從實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)電站到建設(shè)電站，每一步都需要很久。以中國現(xiàn)有的兩個第三代核電站為例，在技術(shù)成熟、設(shè)計(jì)圖紙完善、只需建設(shè)并發(fā)電的情況下，也建設(shè)了將近十年。在這期間，德國核電已隨著最后三座核電站停止運(yùn)行，于今年4月15日起歸零。
時(shí)間長、風(fēng)險(xiǎn)大、成本未知，這是核聚變發(fā)電的現(xiàn)實(shí)問題，但這不意味著核電沒有成功的可能。林伯強(qiáng)表示，如若成功建成，核聚變電站將成為我國第四代或第五代核電站，成為能源體系中的重要一員。
相關(guān)概念股或受關(guān)注
中金公司日前的研報(bào)顯示，全球范圍內(nèi)從事商業(yè)化聚變堆探索的企業(yè)數(shù)量已經(jīng)達(dá)到43家，吸引到風(fēng)投投資金額不斷攀升。截至2023年初，全球聚變公司累計(jì)吸引超過 60 億美元投資。國內(nèi)包括能量奇點(diǎn)、星環(huán)聚能等初創(chuàng)公司同樣開啟了我國商業(yè)化聚變堆的嘗試，并且成功獲取風(fēng)險(xiǎn)資本投資。機(jī)構(gòu)認(rèn)為相關(guān)投資有望快速轉(zhuǎn)化為對上游的采購訂單，從而拉動聚變產(chǎn)業(yè)鏈需求放量。
國信證券研報(bào)指出，聚變產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋廣，投資機(jī)會比較豐富。聚變產(chǎn)業(yè)鏈上游覆蓋有色金屬(鎢、銅等)、特種鋼材、特種氣體(氘、氚)等原料供應(yīng);中游覆蓋聚變技術(shù)研發(fā)、裝備制造(第一壁、偏濾器、蒸汽發(fā)生器、超導(dǎo)磁線圈等組件)及仿真、控制軟件的開發(fā);下游覆蓋聚變機(jī)組的運(yùn)營。聚變產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋范圍較廣，存在較多優(yōu)質(zhì)投資機(jī)會。
從市場來看，國機(jī)重裝、東方電氣、中國核建、太鋼不銹、上海電氣、久立特材、安泰科技、保變電氣和西部超導(dǎo)等核聚變概念股或會受到關(guān)注。其中，久立特材是ITER中國工作組導(dǎo)體鎧甲供貨商，安泰科技是EAST大科學(xué)工程裝置兼ITER鎢銅復(fù)合部件供應(yīng)商。不過核聚變相關(guān)上市公司，很多家只是概念股，存在不確定的發(fā)展和炒作風(fēng)險(xiǎn)。
作為面向國家重大需求的前沿顛覆性技術(shù)，可控核聚變具有資源豐富、環(huán)境友好、固有安全等突出優(yōu)勢，是目前已知的能夠最終解決人類能源問題的重要途徑之一。技術(shù)的突破帶給人希望，路途雖遠(yuǎn)，行則將至，也許小型核聚變電站的建設(shè)運(yùn)行未來將會實(shí)現(xiàn)。
（文章來源：華夏時(shí)報(bào)）
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