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标题: 1克燃料可产生8吨石油的能量中国技术厚积薄发 [打印本页]

作者: 每日经济新闻 时间: 2024-10-10 05:30
标题: 1克燃料可产生8吨石油的能量中国技术厚积薄发
每经记者：石雨昕

能源巨变正悄然而至！有一种变革性能源技术，将颠覆当前的能源结构。这种技术获取的能量，未来将可以彻底替代石油、天然气等化石能源。到那时，中国不再需要从中东、俄罗斯等地进口石油、天然气，石油、煤炭等都将终结能源使命。

这种获取能量的技术是“可控核聚变”，比现在核动力、核电等使用的“核裂变”技术更厉害，释放的能量更大，只需要1克燃料，其聚变所获得的能量，相当于燃烧8吨石油，不产生二氧化碳等温室气体，而且核废物也更可控。

近年来，国际上相继实现磁约束、激光惯性约束核聚变，更接近未来能源，国际上又掀起一波研发高潮。

那么，在“可控核聚变”研发方面，中国已走到哪一步了呢？

为了揭开可控核聚变的神秘面纱，《每日经济新闻》记者（简称每经记者或记者）专访了国内核聚变领域权威专家之一——核物理学家、中国科学院院士詹文龙。

詹文龙曾担任中国科学院近代物理研究所所长、中国科学院副院长以及国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）第27、28届执行委员会副主席等，是这个领域的学术带头人。

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可控核聚变有望

终结化石能源

何为核聚变？何为“可控”核聚变？

据了解，目前，核聚变能源是将两种氢同位素（通常是氘和氚）加热到极高温度，原子核熔合成质量较轻的氦和中子，微小的质量差按爱因斯坦的能量质量转换成巨大能量。所谓“可控”，意味着人们可以控制核聚变的开启和停止，核聚变的反应速度和规模可以随时被调控，相当于可控的“人造太阳”。

有资料表明，核聚变原料所释放出的能量，比同质量的核裂变原料所释放的能量要大得多。作为原料之一，氘在自然界中广泛存在，每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油。

NBD：长久以来，为什么可控核聚变被视为解决人类能源问题的终极办法？

詹文龙：首先，与现有能源相比，核聚变的突出优势是对环境非常友好。与化石燃料相比，核聚变不产生二氧化碳等温室气体。与现有核裂变相比，一方面，可控核聚变产生的废物具有较短的放射性衰变寿命，从几十万至上百万年缩短至可能的几十年至100年以内，使得废弃物管理更为可控；另一方面，这些废物释放的热量较低，进一步降低了安全风险。

其次，核聚变产生的能量密度非常高，核聚变能量释放效率远超传统化学能源的燃烧，可达百万倍之差，如产生聚变的另一种原料氚由中子和锂6反应释放能量就比锂电池高百万倍。这意味着相对较小的燃料量可以产生巨大的能量。1克氘氚燃料聚变所获得的能量相当于燃烧8吨石油。

此外，可控核聚变技术的研发不仅有望解决能源问题，在研究过程中也能推动相关技术领域的发展。比如，可能为超导、核医学带来更多创新应用，未来肿瘤治疗和高精度诊断将更加普及，且价格亲民。现在一个疗程可能需要20多万元，未来，从设备制造角度来看，可能就降到10来万。加速器技术的进步也将使得设备小型化，更广泛地惠及大众。

NBD：目前，全球化石能源占比仍然超80%，可控核聚变的运用，可以彻底替代煤、石油、天然气等化石能源吗？

詹文龙：从能源的角度来看，规模应用后，可控核聚变的运用，基本上可以替代石油、天然气等化石能源的运用，从而彻底改变能源利用形式。未来，化石资源就会以化工行业原材料‌的形式呈现，比如用化石能源提取出多种基础化工原料，应用于纤维、塑料、橡胶等化工产品的生产。

与历史上的蒸汽、电力革命相似，可控核聚变也是作为潜在的低碳能源变革，对经济社会发展影响更大的是在二次、三次能源的应用上，为未来社会的能源结构与动力系统带来颠覆性转变。

以现在我们核能（核裂变）利用为例，除了核能发电，核技术在军事、医疗等领域也得到了推广和应用，军事方面如核潜艇、航母等大型舰艇运用核裂变反应提供动力。在太空探索中，尽管成本较高，核能（如放射性同位素热电发电机）已被用于火星探测和月球探测任务。核能也被用于小型设备，如心脏起搏器中的同位素电池。

NBD：未来可控核聚变装置也可以实现小型化吗？甚至最终出现核动力飞机、核动力汽车等工具吗？

詹文龙：尽管技术在不断发展，核能作为飞机动力源在理论上也可行，然而，核能用于飞机等飞行器的前提是能否保证“绝对核安全”，因为核电发生事故概率千万分之一，远远小于飞行器发生事故概率，一旦飞行器发生事故，诱发的后果将比常规事故严重得多。

未来想要商业利用可控核聚变提供能源，除了需要解决聚变燃料的可持续循环和抗聚变快中子辐照材料外，肯定要考虑经济性。到目前为止，我们主要采用磁约束路线来实现可控核聚变，这种情况下，核聚变反应堆的规模会非常大，经济性很难提高，性价比不高，所以，工程建设方面，只能一边建设一边改进技术，进行渐进式创新。

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全球科学家都在为2035 至2040 年实现核聚变而努力

20世纪90年代以来，磁约束可控核聚变科学原理得到证实，当前已进入工程可行性研究阶段，国际热核磁约束核聚变装置(ITER)为代表的一批装置投入运行将是可控聚变作为低碳能源的新里程碑，政府、私人投资有望快速推动行业进入商业化阶段。

NBD：中国已经承诺在2060年前实现碳中和，而能源转型是实现这一目标的关键。您认为在2060年可控核聚变能实现吗？

詹文龙：据我了解，现在国际上对中国在2060年实现碳中和的目标大多持乐观态度。尽管预计到2060年前，核聚变可能尚不能担当主角，核裂变技术的进步仍不足以满足碳中和规模要求，但中国在太阳能、风能、水电和核电等清洁能源领域的发展势头强劲，多种能源的综合运用，预期能够有效支撑碳中和目标的实现。此外，在核电领域，随着技术进步和规模扩大，核电将逐步替代煤电，成为电网中稳定供电的重要组成部分。

我认为，2060年之前依靠可控核聚变技术实现规模性供电是不现实的。目前，全球能源供应依然主要依赖于化石能源以及部分可再生能源（例如风光水电）等，国际能源总署展望全球核电规模将提高2~3倍。但是可控核聚变技术肯定会有所进展，预计能达到示范性阶段，即展示其能够产出稳定电力的能力，能否实现大规模商业应用仍是未知数。

NBD：全球可控核聚变领域技术研究进展如何？人类何时能真正用上这种技术获取的能源？

詹文龙：从技术成熟度的角度来看，我们可以把一项科研技术从无到有到商业规模应用分为9级。目前全球的核聚变技术大约处于4到5级的水平，要达到商业化应用的9级，还需要解决燃料、材料、安全性、可靠性和经济性等方面的问题。预计需要历经三五十年的时间，才能从基础研究转向较为稳定可靠的技术，达到示范应用级别，这大概处在6到7级水平。

目前，全球科学家都在为2035 至2040 年实现核聚变而努力，但将其转化为商业应用还面临诸多挑战，例如经济性。到2060年，核聚变发电的经济竞争力与其他能源相比仍存在不确定性，因为现在太阳能发电已经算得上是“白菜价”了，最低已进入0.1元/KWh(没储能)。

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若真正实现可控核聚变

是无限的能源

据了解，目前，磁约束核聚变与惯性约束核聚变，被认为是实现可控核聚变的两种重要方式。其中，磁约束聚变通过低密度长时间燃烧的方式实现氘、氚等离子体的自持燃烧，并将这种燃烧维持下去。想要实现核聚变需要高温、高密度和足够长的反应时间，以上三个参数同时达到一定标准才能发生自持的核聚变反应，以保证能量的有效释放和稳定输出。

NBD：我们通常理解可控核聚变是无限的能源，是这样的吗？

詹文龙：可控核聚变反应前后的微小质量差按爱因斯坦的能量质量转换成巨大能量，目前，使用的是氘氚反应，这是所有聚变反应中最容易实现的聚变。虽然理论上氘氚核聚变可视为接近无限的能源，氘在自然界中广泛存在，海洋中就有丰富的氘资源，常被科普为“取之不尽”的元素。然而，真正的核聚变反应涉及到氘与氚的结合。

氚是一种放射性核素(半衰期约为12.3年)，自然界中基本不存在。理论上，氘氚聚变反应中释放的一个快中子可与铍反应产生2个慢中子，将锂分解成氦和氚，但技术的可行性需要实验验证。

此外，这个反应的前提是有一个正在运行的聚变反应堆，商业规模反应堆本身也需要足够的氚(超过全球目前的储量)来启动。如果燃料自持的理论得到验证，那么可控核聚变确实是无限的。

NBD：核聚变反应中材料需要承受高达上亿摄氏度的高温，而目前我们所拥有的材料，只能承受千摄氏度级别的温度，有些人认为材料耐高温将成为可控核聚变研究最大的挑战，您认同吗？

詹文龙：材料耐高温似乎是一个巨大的限制，然而这并不是主要问题。在磁约束核聚变中，高温下的粒子会电离成带电粒子，在强磁场的约束下，这些带电粒子不会直接撞击材料表面，从而避免了高温对材料的直接损害。磁约束容器是真空压力材料制成的，更大的难题在于核聚变中子强辐照的问题。中子不带电，它们能够穿透材料对材料造成辐射损伤。

氘氚反应产生的中子能量比现有裂变反应的要高，对材料的抗辐照性能提出了更高要求。截至目前，全球还没有一个真正的高强度聚变中子源来测试材料，因此，需要进行更基础的研究。

值得一提的是，近年来，中国在核聚变研究方面特别是在长脉冲条件下的高温或高密度运行方面保持了世界纪录，尤其是在超导磁约束等技术难题上取得了突破，超导材料以及大型磁体在ITER研制处于主要承建者，在高温超导及磁体的研发及应用方面走到国际前列，并在全球聚变研究领域保持了一定的先进性。比如东方超环（EAST）首次实现403秒高约束模等离子体运行，相应提高在ITER的话语权。

NBD：中国可控核聚变领域研究进展如何？在国际上有哪些优势？

詹文龙：中国除了在稳态高约束模式等离子体运行技术方面展现出时间持续长的优势外，在强流加速器研发利用方面也具有一定优势。强流离子超导直线加速器，其速流功率比国际上高近一个数量级，特别是实现了百千瓦百小时稳定运行。利用加速器驱动先进核裂变能系统是更先进的核电系统，预计十年后将进入商业运行。中国科学院近代物理研究所的强流离子加速器技术将具备开发出可以符合研究聚变燃料、材料研发的强中子源，如果能列入“十五五”国家重大科技基础设施建设，将在国际上领先进行我们前面提到的燃料自持和材料问题的研发。

NBD：为什么我们中国强流离子加速器能够从激烈的国际科研竞速中脱颖而出？您预计什么时候能有明显科研突破？

詹文龙：我国社会主义体制优势是集中资源办大事，特别跨世纪后国家加大对研究投入，加上人才强国战略，长期稳定的基础研究和国家重大科技基础设施研发，在束流物理方面取得突破、在先进制造水平(数字孪生、工艺及测试水平)上的提高及重离子治疗的应用，使我国在离子加速器研发上走到国际前列。

我们说在核聚变研究中，激光惯性核聚变是一种发展较快可控惯性聚变方法。美国国家聚变中心利用超强激光成功触发兆焦规模的核聚变反应，我国在这个领域的研发估计2030年也能实现聚变反应。然而，这种方法的电和激光转换效率相对较低，整个过程中的能量转换效率不到5%。这意味着，尽管激光惯性核聚变在实验中取得了一定成功，但其效率不足以用于商业发电。

相比之下，强流重离子惯性聚变驱动源是国际学术界公认的一种理想惯性聚变能的方法，强流重离子束能量转换效率高达30%、十赫兹重复频率、束流最后传输器件离靶5米以上(避免被爆炸损坏)、加速器长期稳定运行且可维护，重离子惯性聚变反应的能量放大倍数可达千倍。

重离子惯性聚变的难点在于达到爆炸要求的能量密度比强流加速器高出千万倍。上世纪70年代开始，国际上很多人研究，但强流加速器方面的技术研究进展相对慢，近十年来，我国在强流束流物理方面取得突破、在高能量密度物质发现新性质找到了更高效的聚变方法；2025年将建成国家重大科技基础设施“强流重离子加速器研究装置”，随后，重离子束流可达到高能量密度状态条件，实现百千焦小规模的聚变“爆破”实验，使国际重离子惯性聚变进入新的里程碑。

一旦实现小规模的聚变“爆破”，下一步我们将聚焦于扩大规模并优化能源转换过程，包括把百千焦束团能量的加速器增强到兆焦束团、提高效能、束团的重频及开发高效能的能源收集转换系统，将核聚变反应释放的能量转化为电能等实用能源形式，推动可控核聚变的应用。

记者|石雨昕

编辑|易启江

视觉|刘青彦

排版|易启江

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