中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月16日23時(shí)，日本福島縣附近海域發(fā)生7.4級(jí)強(qiáng)烈地震，震源深度為57公里。這是繼2011年福島里氏9.0級(jí)大地震后，福島附近海域發(fā)生的第二次強(qiáng)級(jí)地震。地震的發(fā)生，讓世界的目光再次聚焦到福島核電站上。
根據(jù)新華社的消息，地震發(fā)生后，福島第一核電站2號(hào)和5號(hào)機(jī)組、第二核電站1號(hào)和3號(hào)機(jī)組乏燃料池冷卻系統(tǒng)停止工作。截至17日4時(shí)，福島第一核電站2號(hào)機(jī)組乏燃料池冷卻系統(tǒng)仍未恢復(fù)工作，其他3座受影響機(jī)組乏燃料池冷卻系統(tǒng)已經(jīng)恢復(fù)運(yùn)行。
自2011年福島核事故以來(lái)，是否減少或停止核電站運(yùn)營(yíng)的爭(zhēng)論從未停止，“去核”抗議也從日本國(guó)內(nèi)一直延伸至不少太平洋沿岸國(guó)家。
那么，日本政府為何在輿論的高壓下，仍不放棄并堅(jiān)持使用核能呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，核能所提供的能量巨大，是其他能源無(wú)法相比的。
1925年，經(jīng)濟(jì)學(xué)家康德拉季耶夫（Nikolai D. Kondratieff）發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中存在一個(gè)50~60年的周期，這就是我們今天經(jīng)常聽(tīng)到的康波周期。
推動(dòng)康波周期的核心要素有兩個(gè)：人口和技術(shù)。人口意味著需求，需求是推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?；技術(shù)意味著創(chuàng)新，創(chuàng)新能推動(dòng)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)周期波動(dòng)，進(jìn)而讓人類社會(huì)持續(xù)前進(jìn)。
按照規(guī)律，在未來(lái)三十年，康波周期將進(jìn)入新一輪上升期，這意味著，全球?qū)⒂瓉?lái)革命性的科學(xué)技術(shù)突破。這種突破將體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是能源，二是材料，三是人工智能，四是生物技術(shù)。也就是說(shuō)，這四方面的科技突破，將決定未來(lái)50~100年的發(fā)展。
一種普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，以光伏為代表的新能源將是推動(dòng)綠色發(fā)展的核心技術(shù)。但除了光伏，核聚變技術(shù)，即我們熟悉的“人造太陽(yáng)”同樣是能源行業(yè)的終極解決方案。
另一種能源解決終極方案
從17世紀(jì)至今，全球能源體系已進(jìn)行了四輪演替。按照能源出現(xiàn)的順序，四輪演替依次是木柴時(shí)代、煤炭時(shí)代、石油時(shí)代和天然氣時(shí)代。接下來(lái)要登場(chǎng)的將是核聚變時(shí)代。核聚變技術(shù)之所以能在眾多技術(shù)中脫穎而出，成為改變未來(lái)能源行業(yè)核心技術(shù)，我認(rèn)為原因有三。
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第一，核聚變釋放的能量比核裂變更大；第二，核聚變不產(chǎn)生高水平核廢料，可降低對(duì)環(huán)境造成污染的風(fēng)險(xiǎn)；第三，核聚變所需的燃料供應(yīng)充足。地球上重氫有10萬(wàn)億噸，每1升海水中含30毫克氘，理論上30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升汽油。
在未來(lái)三十年，核聚變技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)突破。一旦突破，它會(huì)讓發(fā)電成本降至0.05元/千瓦時(shí)，綜合用電價(jià)格降至0.1元/千瓦時(shí)。低廉的用能成本，將有助于解決能源供給、糧食安全、環(huán)境治理等諸多難題。
核聚變通常有三種方式：重力場(chǎng)約束（太陽(yáng)）、慣性約束和磁約束。在能源領(lǐng)域，主要的可控核聚變方式有兩種：一種是激光約束核聚變（慣性約束的一種），我國(guó)的神光計(jì)劃、美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火計(jì)劃都是這種技術(shù)方式；另一種是磁約束核聚變（托卡馬克、仿星器、磁鏡、反向場(chǎng)、球形環(huán)等），這種方式被認(rèn)為更具應(yīng)用前途。
2 月 9 日，歐洲核聚變研發(fā)創(chuàng)新聯(lián)盟（EUROfusion）、英國(guó)原子能管理局（UK Atomic Energy Authority，UKAEA）和國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）聯(lián)合宣布，2021 年 12 月 21 日，來(lái)自歐洲的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了受控核聚變能量的新紀(jì)錄：他們?cè)谀壳笆澜缟献畲蟮木圩兎磻?yīng)堆，即歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）中，將氫的同位素氘和氚加熱到了 1.5 億攝氏度并穩(wěn)定保持了 5 秒鐘，同時(shí)核聚變反應(yīng)發(fā)生，原子核融合在了一起，釋放出 59 兆焦耳的能量。
5秒內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦耳能量，也就是每秒平均產(chǎn)生11.8兆焦耳能量，大約相當(dāng)于每秒產(chǎn)生3.3千瓦時(shí)電能，一小時(shí)可以生產(chǎn)接近1.2萬(wàn)千瓦時(shí)電，足夠供應(yīng)數(shù)萬(wàn)個(gè)家庭使用。
JET是目前全世界唯一能夠使用氘和氚的混合燃料進(jìn)行運(yùn)行的裝置，它位于英國(guó)牛津郡卡勒姆（Culham）的英國(guó)原子能管理局基地。盡管JET完成了此次實(shí)驗(yàn)，但這并不意味著核聚變所發(fā)的電力能很快流入電網(wǎng)中。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)應(yīng)用的前提，是其產(chǎn)生的能量需達(dá)到此次核聚變反應(yīng)能量的 3 倍。
國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）也在同時(shí)推進(jìn)。這項(xiàng)計(jì)劃的裝置位于法國(guó)南部，由中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)七個(gè)成員共同資助，總耗資約為 250 億美元，計(jì)劃于 2025 年開(kāi)始運(yùn)行。但要讓項(xiàng)目產(chǎn)生足夠多的電力，仍需等到 2035年。
中國(guó)“人造太陽(yáng)”已經(jīng)入2.0階段
當(dāng)前，我國(guó)對(duì)核聚變技術(shù)方向已進(jìn)入2.0階段，我們可以重點(diǎn)關(guān)注磁約束的兩個(gè)主力裝置：一是全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）、二是中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置（HL-2M）。
全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行原理是在裝置的真空室內(nèi)加入少量氫的同位素氘或氚，通過(guò)類似變壓器的原理使其產(chǎn)生等離子體，然后提高其密度、溫度使其發(fā)生聚變反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。
2021年12月30日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，在為全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）注入能量達(dá)到1.73吉焦的條件下，實(shí)現(xiàn)7000萬(wàn)攝氏度、1056秒的長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行。這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。
中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置則是HL-2A的改造升級(jí)版。HL-2A是我國(guó)第一個(gè)具有偏濾器位形的大型托卡馬克裝置，該裝置利用德國(guó)ASDEX裝置主機(jī)3大部件改建而成，具有由相應(yīng)的線圈和靶板組成的偏濾器，可以運(yùn)行在雙零或單零偏濾器位形。這對(duì)開(kāi)展高約束模（H模）物理和邊緣物理研究及提高等離子體參數(shù)是非常關(guān)鍵的。該裝置1999年正式動(dòng)工建設(shè)，2002年獲得初始等離子體。
HL-2M屬于工業(yè)西南物理研究院，其建造目的是研究未來(lái)聚變堆相關(guān)物理及其關(guān)鍵技術(shù)，研究高比壓、高參數(shù)的聚變等離子體物理, 為下一步建造聚變堆打好基礎(chǔ)。2020年12月4日，裝置首次放電成功。
HL-2M裝置在“東方超環(huán)”“中國(guó)環(huán)流器2M”托卡馬克裝置上開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，將為中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）物理相關(guān)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在“十三五”后期，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始獨(dú)立建設(shè)20萬(wàn)～100 萬(wàn)千瓦的聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，在2030年前后建成中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆。
相較于目前在建的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER），中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆主要解決未來(lái)商用聚變示范堆必需的穩(wěn)態(tài)燃燒等離子體的控制、氚的循環(huán)與自持、聚變能輸出等問(wèn)題。在工程技術(shù)與工藝上，對(duì)中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的研發(fā)將重點(diǎn)聚焦于聚變堆材料、聚變堆包層、聚變能發(fā)電等ITER不能開(kāi)展的工作。上述研發(fā)，將有助于我國(guó)掌握并完善建設(shè)商用聚變示范堆所需的工程技術(shù)。
（作者系中油資產(chǎn)管理有限公司副總裁，張昭貴對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)）
