人類終極能源可控核聚變的商業化大門已打開?丨黃金眼
來源:全景財經作者:全小景2024-01-11 21:08

作為未來能源唯一方向的可控核聚變,已迎來多個里程碑式突破,其商業化大門正在開啟。

01、終極能源——可控核聚變

核能是一種非常高效的清潔能源,它是由物質元素的原子核發生改變而放出的能量,俗稱核能。

核能與我們所熟悉的支持生命過程的化學能不同,它是原子的核內能量而不是核外能量,而參與生命物質轉化的化學能都是核外能量,這些化學反應都不會引起原子核的變化。核變化所釋放的能量主要分為兩大類:(1)核裂變(nuclearfission),即重元素的原子核分裂為質量較輕元素的原子核時所釋放的能量,稱為核裂變能;(2)核聚變(nuclearfusion),即小質量元素的原子核聚合成為重核所釋放的能量,稱為核聚變能。

資料來源:中國新材料產業技術創新平臺

其中核聚變是兩個輕原子核結合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程。核聚變反應發生在一種叫作等離子體的物質狀態中。等離子體是一種由正離子和自由移動的電子組成的高溫帶電氣體,具有不同于固體、液體和氣體的獨特性質。只要將氫的同位素氘和氚的原子核無限接近,使其發生聚變反應,就能釋放出巨大能量。核裂變是從原子核分裂中獲得能量,而核聚變則是通過將原子核結合而釋放能量。雖然兩種原子反應都是通過改變原子而產生能量,但它們的根本區別對安全卻有廣泛的影響。

核聚變產生的能量是核裂變的3-4倍,其副產品是惰性、無毒的氦氣,不會影響環境安全。在燃料上,核聚變燃料之一的氘廣泛地分布在海水中,1升海水中含的氘全部聚變反應所產生的能量與300升汽油完全燃燒所釋放的能量相當,海水中氘的儲量可供人類使用幾十億年。此外,核聚變反應需要在高溫等離子體和外部磁場限制的環境下才可以進行,同時它可以在幾秒鐘內得到控制或停止,本質上是安全的。

聚變能具有燃料豐富、清潔、安全性高、能量密度大等突出優點,被視為終極能源。高層明確可控核聚變領域為未來能源的重要方向。

02、實現可控核聚變的條件苛刻

實現核聚變必須滿足三個苛刻條件:一是足夠高的溫度(T),使燃料變成超過1億攝氏度的等離子體;二是一定的密度(n),這樣兩原子核發生碰撞的概率就大;三是一定的能量約束時間(TE),等離子體在有限的空間里被約束足夠長時間;三者的乘積稱為聚變三乘積。根據勞遜判據,只有聚變三乘積大于一定值,才能產生有效的聚變功率輸出。

核聚變的反應條件資料來源:王騰《超導磁體技術與磁約束核聚變》

目前,實現核聚變反應主要有引力約束、磁約束、激光慣性約束3種方式。太陽因質量大,可通過巨大引力,在極端高溫高壓的環境下發生引力約束核聚變反應。而在地球上,實現可控核聚變主要有磁約束核聚變和激光慣性約束核聚變兩種方式。激光慣性約束核聚變是采用激光作為驅動器壓縮氘氚燃料靶丸,在高密度燃料等離子體的慣性約束時間內實現核聚變點火燃燒。采用強磁場約束等離子體的方法把核聚變反應物質控制在“磁籠子”里面,就是磁約束核聚變。

資料來源:悅智網

由于慣性約束難以實現持續的聚變功率輸出,因此磁約束核聚變是實現聚變能開發的有效途徑。磁約束核聚變常用的實現方式是托卡馬克和仿星器。托卡馬克裝置已經較為成熟,自20世紀60年代,目前建造了200多臺功能性的托卡馬克裝置。

資料來源:國際原子能機構

03、可控核聚變并沒有那么遙遠

所有托卡馬克的終極目標是將氘氚聚變原料加熱到點火點或更高的溫度,并加以控制地持續盡可能長的反應時間,以追求連續的聚變能量輸出。即使采用導電性良好的銅作為導體繞制線圈,由于電流巨大線圈不可避免地存在發熱問題,從而限制了磁約束核聚變的長時間穩態運行。由于超導體具有零電阻效應,且承載電流密度更高有利于建造更加緊湊、更高場強的聚變裝置,能夠有效改善長脈沖穩態運行,20世紀后期,科學家們開始把超導技術用于托卡馬克裝置。為了解決常規托卡馬克的瓶頸,超導技術便被引入到了托卡馬克建設中。

高溫超導強場磁體技術突破,形成緊湊型聚變堆技術路線。

近年來,高溫超導強場磁體技術的突破形成了新的緊湊型聚變堆技術路線,不僅成本大大降低,更使研發周期大幅縮短。麻省理工學院(MIT)將緊湊型聚變堆評為2022年度十大突破性技術之一。市場資本的快速進入進一步加速了可控核聚變商業化項目進程,也強勢帶動了高溫超導強場磁體的市場需求。國際上代表性的有美國麻省理工學院的高溫超導緊湊型托卡馬克SPARC裝置和英國卡拉姆聚變能源中心負責的STEP裝置,目前均處于概念設計階段。國內多家民營企業,如新奧集團、星環聚能、能量奇點等均開展了相關研究。

全球進展方面,2021年9月美國CFS公司使用高溫超導帶材繞制大口徑、20T的強磁場磁體,將應用于SPARC、ARC超導核聚變等,第一階段磁體已于2021年9月宣布測試成功。

2023年10月美國國家點火裝置(NIF)成功“點火”兩次,即實現可控核聚變凈能量增益,讓核聚變反應產生的能量多于這一過程中消耗的能量。至此美國科學家成功將點火次數增至四次。這些點火實驗中,NIF不僅實現了凈能量增益,效率與精度也在不斷提高。最新的一次實驗再刷記錄——輸入能量首次達到2.2兆焦,3.4兆焦耳的輸出能量也位列歷次點火實驗第二。NIF向實現數十兆焦耳甚至更高產能的目標,又邁進了一步。

前不久,采用超導路線的世界上最新、規模最大的核聚變反應堆——JT-60SA成功點火,成為實用核聚變能源漫長發展進程中的一個里程碑。隨著高溫超導技術不斷成熟,工業應用開始落地?;诟邷爻瑢Р牧系膹姶艌鲂⌒突锌R克技術路線有望大幅降低聚變裝置成本,建設期有望縮短到3至4年,大幅縮短技術迭代周期,也使聚變發電初步具備了商業化潛力。

國內同樣突破不斷。

EAST(即“東方超環”)是我國自行設計研制的世界上第一個“全超導非圓截面托卡馬克”核聚變實驗裝置,它同時具有上億溫度的“超高溫”、零下269度的“超低溫”、“超大電流”、“超強磁場”、“超高真空”等極限條件,項目難度非常大,它的成功建設和運行是中國可控核聚變研究的里程碑式突破。

“東方超環”(EAST)及主要部件示意圖 資料來源:中科院

2021年5月28日,EAST裝置實現了可重復的1.2億度101s等離子體運行和1.6億度20s等離子體運行。2021年6月8日,EAST裝置總放電實驗次數突破10萬次。2021年12月30日晚,實現1056s的長脈沖高參數等離子體運行,這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。

2023年4月12日21時,一項新的世界紀錄誕生——正在運行的世界首個全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功實現了403秒穩態長脈沖高約束模式等離子體運行,刷新了2017年托卡馬克裝置高約束模式運行101秒的紀錄。EAST裝置創造的多項托卡馬克運行的世界紀錄,標志著中國在磁約束聚變研究領域引領國際前沿,也為中國自主建造聚變工程實驗堆提供了堅實的科學技術基礎。

中國聚變工程試驗堆(CFETR)是中國自主開發和設計的下一代聚變裝置,旨在彌補ITER和未來聚變堆之間的差距,已進行了數輪總體工程設計。

CFETR效果圖 資料來源:中科院等離子體物理研究所

2023年12月29日,以“核力啟航聚變未來”為主題的可控核聚變未來產業推進會在蓉召開。由25家央企、科研院所、高校等組成的可控核聚變創新聯合體正式宣布成立。

另一端,民營資本涌入也在推進產業發展。

根據FIA數據,2022年全球私營核聚變公司獲得超過48億美元的投資,比2021年增長139%,私人投資對核聚變的投資額首次超過政府資助。2023年,全球私營聚變公司獲得的投資額從48億美元增加至62億美元。新增資金包括美國TAE技術公司2.5億美元、中國新奧科技發展公司2億美元、日本京都聚變技術公司7900萬美元、中國能源奇點公司5500萬美元等。

當前聚變-裂變混合實驗堆即將建設,加速核聚變商業應用。

混合堆相當于熱核聚變中子源與次臨界裂變堆結合,相比于純聚變堆,混合堆大幅降低堆芯等離子體性能及第一壁材料要求;相比裂變堆,混合堆鈾資源利用率高,且燃料增殖能力強于快堆、乏燃料嬗變優勢顯著、建造成本低于快堆,是實現閉式燃料循環、解決千年能源需求最具前景的方案。國內聚變-裂變混合實驗堆Q值大于30,實現連續發電功率100MW,總投資超200億元,即將進入建設階段。

04、受益環節和相關企業有哪些?

超導磁體在托卡馬克裝置成本占比近一半,可控核聚變商用化推進帶動超導磁體需求增加,市場空間較大。

其中成立于2003年的西部超導,成立之初以ITER用低溫超導線材產業化為主要業務。目前形成了高端鈦合金材料、超導產品和高性能高溫合金材料三大主業。其中,超導產品經歷ITER項目交付完結(2019年)以及向MRI、MCZ、CFETR等領域的拓展。核聚變領域,公司突破了CRAFT項目用Nb3Sn超導線材批產穩定性控制技術;開發新一代高性能電流密度Nb3Sn線材并實現量產,為核聚變新項目BEST提供高指標的產品;已開始向CFETR項目供貨。

聯創光電超導感應加熱設備市場化進程取得較為顯著的突破,聯合中鋁東輕共同舉辦了世界首臺高溫超導感應加熱裝置投產儀式,在首臺成功投產設備的示范效果下,聯創超導設備訂單快速增長,截至2023年6月30日,在手訂單已超過60臺,在推進感應加熱設備標準化的同時,有序排產,已成功交付6臺設備。

根據聯創超導業務發展戰略規劃,不斷加深技術研發,開拓高溫超導新的應用場景,與硅單晶生長爐設備廠商合作,將高溫超導磁體技術應用于新型光伏級(N型電池)及半導體級磁控硅單晶生長爐領域。

永鼎股份全資子公司東部超導科技(蘇州)有限公司是永鼎超導應用產業化基地,總投資約10億元人民幣,主要從事超導電纜、超導磁體、超導限流器、超導電機的產業化發展以及超導變壓器、全超導電力系統集成(超導變電站)的研發和推廣。

公司子公司蘇州新材料研究所有限公司是國內第二代高溫超導企業,專業研發新型高溫超導(HTS)千米長帶材,發展新型高溫超導材料應用技術,實現HTS帶材的產業化及相關應用技術的研究開發。目前產品主要應用于推進電機、風力發電機、直線電機、磁懸浮、高場磁體NMR、磁選機、超導故障電流限流器等電力、交通、醫療、工業、科研裝備。

精達股份為上海超導科技股份有限公司第一大股東。上海超導從事第二代高溫超導帶材研發、應用及銷售,產品廣泛應用于超導電力、超導節能、可控核聚變、高速磁懸浮交通、高場磁體等一系列新興產業,第二代高溫超導帶材整體達到國際同類產品的先進水平。公司為美國CFS公司、英國TE公司的可控核聚變項目供應高性能高溫超導帶材,用于強場磁體研制及超導可控核聚變。

愛科賽博參與了蘭州重離子加速器、中國散裂中子源、全超導托卡馬克核聚變實驗裝置、國家同步輻射實驗室等國家重大科研基礎設施建設項目,提供電源裝備或電源系統交鑰匙工程總包。

國光電氣生產的偏濾器和包層系統是國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)項目的關鍵部件,主要包括:(1)偏濾器:托卡馬克裝置的關鍵組成部分,是等離子體與器壁相互作用的主要區域,直接影響托卡馬克裝置的壽命。(2)ITER包層屏蔽模塊的高溫氦檢漏設備:模擬國際熱核聚變試驗堆運行狀態下的密封性檢測,檢測設備要求非常高。(3)ITER包層第一壁板(FW):ITER的核心部件,目前,公司參與研制的FW已經完成樣件制造,進入工藝的驗證階段。(4)ITER工藝設備:大規模核聚變反應的超導托卡馬克裝置是龐大而復雜的裝置,涉及大量不同的制造工藝。公司研制出了各種制造及驗證裝置,用于ITER相關的試驗、測量及生產工藝之中。

安泰科技以先進金屬材料及關鍵部件為核心主業,致為我國“人造太陽”EAST大科學工程裝置、國際熱核聚變實驗堆ITER項目提供偏濾器全鎢復合部件、鎢銅復合部件等核心產品。

炬光科技半導體激光元器件中的開放式器件為國家慣性約束可控核聚變項目的重要元件,作為固體激光器的泵浦源,為慣性(激光)約束核聚變提供點火光源。

百利電氣下屬控股子公司北京英納超導技術有限公司是國內較早成立的專業研發高溫超導材料的企業,主要從事鉍系高溫超導線材的研發生產,獲得多項高溫超導線材制備及高溫超導應用領域的核心技術授權專利。公司控股子公司遼寧榮信興業電力技術有限公司曾為國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃提供電力無功補償設備,其主導產品包括高壓動態無功補償裝置(SVC)、高壓靜止無功發生器(SVG)等。

旭光電子在2023年上半年,突破了核聚變能源“長脈沖高功率四極管方案設計及關鍵工藝研究和整管制備”技術壁壘,完成了DB967中期樣管制備及DB968中期樣管整機測試工作,項目整體進度優于預期,加速可控核聚變能源化利用進程。

此外還有膨脹節系統環節的航天晨光、集團是可控核聚變創新聯合體參與方的東方電氣,以及集團是可控核聚變創新聯合體參與方的國機重裝。

責任編輯: 高蕊琦
聲明:證券時報力求信息真實、準確,文章提及內容僅供參考,不構成實質性投資建議,據此操作風險自擔
下載“證券時報”官方APP,或關注官方微信公眾號,即可隨時了解股市動態,洞察政策信息,把握財富機會。
網友評論
登錄后可以發言
發送
網友評論僅供其表達個人看法,并不表明證券時報立場
暫無評論
為你推薦
時報熱榜
換一換
    熱點視頻
    換一換
    jk白丝袜呻吟娇喘在线视频|国产在线观看免费A∨|日本XXXXX黄区免费看动漫|日本公妇在线观看中文版|