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1、一、行业概述1、核聚变方式产生能量更为安全+清洁+原料丰富核聚变是两个轻原子核(比如氘氚)在高温高压条件下克服库伦斥力结合成较重原子(氦),并释放大量能量的过程。质量小的原子,在超高温高压条件下,能让核外电子摆脱原子核束缚,两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起,发生原子核互相聚合作用,生成新的质量更重的原子核。中子质量比较大且不带电,因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束缚而释放出来,大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。(divcenter)图1:氛氟(D-T)聚变过程示意图(/divcenter)核聚变兼具能量密度高、反应物充足、安全性高、环保等优势,有望成为人类文明终极能源
2、:能量密度高:根据核裂变与核聚变发电综述,核聚变能量释放效率比传统化学能源燃烧效率高百万倍,氘和氚聚变为1克氦过程中所产生的聚变能相当于11.2吨标准煤。燃料供应充足:氢的同位素包括氘、氚,其中氘以重水形式在海洋中储存,储量充沛;氚半衰期短、在自然界没有稳定存在,但可用中子轰击锂-6制备。零排放:核聚变在反应过程中,不产生温室气体、高放射/长寿命核废物,反应过程相对清洁。安全性高:核聚变反应属于自限过程,维持核聚变反应需要超过1亿度高温、燃料的连续输入等严苛的边界条件,一旦条件不满足就会自发停止。2、氘氚聚变或为实现核聚变的重要反应方式氘氚聚变凭借反应截面大、点火温度较低和能量输出效率高等优势
3、,是目前广泛采用的反应方式。目前常见的聚变反应包括:D-T(氘氚聚变:主流),D-D(氘氘聚变),p11B(质子-硼11聚变),D3He(氘-氦3聚变),3He3He(氦3-氦3聚变)。其中氘氚聚变(DT聚变)兼具反应截面大、能量输出效率高、材料供给充沛等优势,是聚变反应中的主流燃料来源。一方面,氘氚聚变具有最大的反应截面,所需的加压、加温等外部条件要求低,能够在相对较低的1.5亿摄氏度下即可发生反应;另一方面,氘氚聚变单次反应可释放17.6MeV的能量,能量输出强劲。3、如何衡量可控核聚变的成功聚变三乘积(nT)指的是离子体温度(T),原子核密度(n),能量约束时间()三者的乘积,即劳森判据
4、中的“三重积”,是衡量核聚变反应可否自持进行的核心指标。根据劳森判据,要实现核聚变反应,离子体温度、原子核密度、能量约束时间乘积需大于一定值,即大于5x102m-3skeV。极高温可使原子核获得足够能量以克服其库仑势垒;原子核密度越大则其碰撞效率也越高,从而提升核聚变反应率;能量约束时间对应等离子体总能量热传导损失耗时,时间越大代表反应装置隔热效果好、能量损失少,促进反应率提升。只有当三重积数值足够高时,核聚变反应方能实现能量产生效率大于损失效率,不需要外部能源持续输入即可自发维持反应。二、驱动因素1、AI驱动用电结构重构,聚变能源战略价值凸显可控核聚变是当前全球能源战略转型的关键方向,核心原
5、因在于其具备解决长期能源供需矛盾的现实可能。现有能源结构高度依赖煤、石油、天然气等化石燃料,但总量有限、开采成本上升且环境代价巨大。尽管可再生能源占比持续上升,但由于其具有间歇性强、输出不稳定等特性,难以承担基荷电力功能;裂变能则面临核废料处置、高风险和公众接受度问题。聚变能以高能量密度、原料储量丰富、安全性高等特性,成为理论上最接近“终极能源”的现实路径。从全球能源结构趋势看,清洁能源已成为能源系统转型的主方向。根据国际能源署WorldEnergyOutlook2024的预测,风电、太阳能、核能等清洁能源将在2050年前持续增长并占据主导地位。在净零排放情景NZE中,清洁能源需求增长尤其迅猛
6、,这一趋势为下一代零碳能源形态如核聚变提供了技术替代和系统整合的政策窗口与产业机会。推动可控核聚变发展的根本动力在于其极高的能量转化效率与原料可获取性。以氘氚聚变为例,据王腾超导磁体技术与磁约束核聚变的估算,1g氘氚燃料可释放约等同于8t汽油的能量,能量密度比贫铀裂变高出4倍以上。此外,氘广泛存在于海水中,据估算每升海水能提取大约30mg氘,产生的聚变能量相当于340L汽油,足够一台普通家用汽车在北京至广州间往返一次。全球海水中氘储备量约45万亿吨,用于核聚变可支撑人类数百亿年,具备可持续基础;氚虽然天然含量稀少,但可通过中子轰击氟化锂、碳酸锂或锂镁合金实现增殖,而海水中含有大量的锂,可以说储