过去几年,美国和英国的核聚变研究取得了突破性进展,这为清洁能源的未来带来了希望。但是,许多科学家认为,要实现商业化规模的技术部署,我们还有很长的路要走。与此同时,中国斥巨资投资核聚变研究和开发,因此有可能在未来几年的全球核聚变竞赛中处于领先地位。
核聚变,又称聚变反应,是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子),同时释放出大量能量的一种核反应形式。聚变反应发生在等离子体的物质状态中,同时需要在极高温度下——约一千万摄氏度——进行。
20世纪30年代我们理解核聚变理论以来,科学家和工程师一直在寻求重新创造和利用核聚变的机会,政府和私人公司几十年来也一直在巨额投资核聚变的科学研究。核聚变每千克燃料所产生的能量约为核裂变的四倍,如果核聚变能够以工业规模在地球上复制,它可以提供几乎无限的清洁、安全和廉价的能源,满足全球的能源需求。
在全球范围内,核电约占发电量的10%。在法国等一些国家,这一数字甚至接近了70%。目前,谷歌(Google)等大型科技公司也在转向核电,以满足其数据中心的巨大电力需求。
虽然核裂变和核聚变都是人类使用核能的两种方式,但目前的核电站都是使用核裂变技术进行发电,核裂变发电是一项已被证实的技术。相比之下,核聚变需要超高温、超高压的状态才能产生,目前人类尚未实现可控核聚变。大多数科学界的共识是,至少在2050年之前,核聚变在商业上是不可行的。
2022年12月,美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置(NIF)的一组科学家宣布在核聚变技术上取得突破。在一次聚变实验中,他们实现了比输入更多的能量输出。到了2024年,英国核聚变研究机构宣布,欧洲联合环(JET)创造了一项核聚变试验能量输出纪录。
尽管美国和英国在核聚变方面取得了重大进展,但预计在未来几年领跑全球的会是一个亚洲强国。中国政府每年投入巨额资金进行核聚变研究,估计金额在10亿至15亿美元之间。相比之下,美国政府每年提供约8亿美元的资助。
美国和中国的私人公司都相信,2030年代中期有望推出聚变能源,但中国正以创纪录的速度前进。
总部位于上海的能量奇点成立后三年内就建造了自己的托卡马克,成为全球首台全高温超导托卡马克装置,也是全球首台由商业公司研发建设的全超导托卡马克装置。能量奇点吸引了1.12亿美元的私人投资。公司希望在2027年前开发出第二代托卡马克,以证明它的商业可行性,并计划在2035年前建造一个可供电网使用的第三代反应堆。
相比之下,美国的许多托卡马克技术过时,这导致该国依赖日本、欧洲和英国的新型机器以推进其研究。华盛顿特区聚变产业协会的首席执行官Andrew Holland解释道,“普林斯顿等离子体物理实验室的托卡马克现在已经进行了10年的升级。美国另一个在运行的托卡马克,DIII-D,是一个拥有30年历史的机器。美国的国家实验室没有现代化的聚变设施。”