核聚變正在走來(lái)！

經(jīng)過(guò)超過(guò)30年的發(fā)展，核聚變技術(shù)準(zhǔn)備好要兌現(xiàn)它曾提出的承諾了嗎？最近聚變?nèi)〉蔑@著和快速的進(jìn)步，而且很明顯，未來(lái)5到10年仍然是個(gè)關(guān)鍵。
 
    對(duì)全球2011年至2020年與核聚變有關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，2018年，向世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）提交的國(guó)際專(zhuān)利（IPFs）的數(shù)量達(dá)到頂峰。隨后幾年有所下降，但這可能是由于數(shù)據(jù)不完整所致，因?yàn)樾律暾?qǐng)的公開(kāi)延遲了18個(gè)月。
 
    對(duì)前五個(gè)國(guó)家局的創(chuàng)新活動(dòng)的審查顯示，中國(guó)和美國(guó)的申請(qǐng)數(shù)量分別在2019年和2017年達(dá)到頂峰。盡管專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)谄渌麌?guó)家（例如日本和德國(guó)）處于明顯較低的水平，而且看上去同比還略有下降，但總體情況表明，隨著大規(guī)模核聚變發(fā)電前景的臨近，這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究正在積聚勢(shì)頭。
 
    日益增長(zhǎng)的樂(lè)觀情緒

作為研發(fā)項(xiàng)目的引領(lǐng)者，在持續(xù)多年進(jìn)展緩慢后，去年11月，英國(guó)卡勒姆聚變能源中心的MAST Upgrade 試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)等離子體，這一消息讓人們?cè)桨l(fā)樂(lè)觀，感覺(jué)核聚變發(fā)電已經(jīng)誘人的接近。
 
    作為到2050年取得零碳排放目標(biāo)的一部分，英國(guó)政府還宣布，它正在尋找一個(gè)100公頃的場(chǎng)地，來(lái)建造世界上第一個(gè)核聚變?cè)桶l(fā)電廠，并希望在2030年開(kāi)始建設(shè)。在英國(guó)原子能機(jī)構(gòu)（UKAEA）監(jiān)管下，能源生產(chǎn)項(xiàng)目（STEP）球形的托卡馬克，也試圖在2040年建立一個(gè)運(yùn)營(yíng)設(shè)施。
 
    在過(guò)去的三十年甚至更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，核聚變發(fā)電的主要障礙是實(shí)現(xiàn)“聚變點(diǎn)火”，即達(dá)到核聚變能量自我維持的點(diǎn)。在全球已經(jīng)開(kāi)發(fā)了60多個(gè)不同的原型之后，人們對(duì)維持等離子體以促進(jìn)點(diǎn)火和維持燃燒的最佳方法仍然沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。
 
    位于法國(guó)南部的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）似乎處于領(lǐng)先地位，它正在開(kāi)展設(shè)備組裝工作。這將成為世界上最大的托卡馬克聚變反應(yīng)堆，能夠達(dá)到“生功產(chǎn)率大于消耗”。它計(jì)劃2025年開(kāi)始第一次等離子體實(shí)驗(yàn)，那時(shí)候它將以50兆瓦的功率注入熱量，產(chǎn)生500MW的輸出，并維持400到600秒。氘-氚聚變實(shí)驗(yàn)則將于2035年進(jìn)行。
 
    相比之下，英國(guó)STEP項(xiàng)目的規(guī)模小很多，它的目標(biāo)是獲得100MW的凈能量輸出。
 
    “核聚變點(diǎn)火”方面取得大部分進(jìn)展來(lái)自于實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是達(dá)到核聚變所需的極高壓力和溫度。為了在實(shí)驗(yàn)室里達(dá)到這個(gè)要求，必須首先點(diǎn)燃一種燃料，它含有兩種最重的氫同位素，也就是氘和氚。還需要達(dá)到1.5億攝氏度的溫度——而這比太陽(yáng)溫度還高。以這種方式實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火具有難以置信的挑戰(zhàn)性，而且事實(shí)上取得進(jìn)展的速度非常緩慢。
 
    然而，幾個(gè)政府支持的多學(xué)科實(shí)驗(yàn)，包括ITER、MAST Upgrade 和位于加州的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），現(xiàn)在正在同時(shí)或多或少地接近取得解決方案。
 
    進(jìn)展讓人興奮

盡管規(guī)模相對(duì)較小，但英國(guó)的MAST Upgrade也在持續(xù)對(duì)緊湊聚變電廠的探索，并取得讓人興奮的成績(jī)。
 
    最初的大型安培球形托卡馬克（MAST）從2000年運(yùn)行到了2013年，人們對(duì)它進(jìn)行了升級(jí)，改造中優(yōu)化了一些性能，包括創(chuàng)新了等離子體排氣系統(tǒng)。
 
    最近的專(zhuān)利申請(qǐng)集中于偏濾器的發(fā)展，比如超級(jí)X分流器，作為排氣系統(tǒng)的一部分，可以用于減少離開(kāi)等離子體的粒子的熱和功率。MAST Upgrade是第一個(gè)采用超級(jí)X分流器的托卡馬克。
 
    美國(guó)也正在進(jìn)行類(lèi)似的緊湊型核聚變研究項(xiàng)目，包括建設(shè)一個(gè)叫Sparc的反應(yīng)堆，它由麻省理工學(xué)院和核聚變系統(tǒng)聯(lián)盟運(yùn)行。預(yù)計(jì)它將在2021年起步，并有望在三到四年內(nèi)完成。
 
    創(chuàng)新者對(duì)聚變本身的信心高漲，并正在其他研究領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，包括：開(kāi)發(fā)能夠在長(zhǎng)期運(yùn)行中承受所需的極端溫度和壓力的先進(jìn)材料，以及清潔和維護(hù)反應(yīng)堆的新方法。
 
    例如，最近的專(zhuān)利申請(qǐng)，有一些是意圖開(kāi)發(fā)核聚變反應(yīng)堆中面向等離子體的材料。這些創(chuàng)新活動(dòng)集中于等離子體表面材料的組成、結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程。關(guān)于清洗聚變反應(yīng)堆的新方法，也已有專(zhuān)利申請(qǐng)，例如，遠(yuǎn)程維護(hù)的方法和系統(tǒng)、反應(yīng)堆靜電塵埃檢測(cè)和清除的方法和系統(tǒng)。
 
    重大創(chuàng)新的需求

在其他最近進(jìn)展中，激光限制技術(shù)已經(jīng)成為托卡馬克核聚變反應(yīng)堆的潛在替代品。

這項(xiàng)技術(shù)不是利用強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體，而是使用激光脈沖，來(lái)壓縮一個(gè)原料小球，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。這個(gè)技術(shù)可以提供更緊湊的發(fā)電設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)更多的潛在應(yīng)用。然而，就像托卡馬克一樣，在實(shí)現(xiàn)商業(yè)激光約束系統(tǒng)的工業(yè)化生產(chǎn)之前，仍然需要重大的創(chuàng)新。特別是，在進(jìn)行可能的商業(yè)應(yīng)用之前，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以產(chǎn)生足夠強(qiáng)大和高效的激光。
 
    許多針對(duì)核聚變?cè)缙陔A段的實(shí)驗(yàn)，具有復(fù)雜、多學(xué)科的性質(zhì)，以及為了進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)所需的建設(shè)項(xiàng)目的規(guī)模，都意味著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展會(huì)緩慢。為聚變技術(shù)取得專(zhuān)利申請(qǐng)，距離我們看到的其他發(fā)電技術(shù)所取得的專(zhuān)利數(shù)量還有較大差距。但是，對(duì)于一些作為基石的關(guān)鍵技術(shù)，專(zhuān)利保護(hù)已經(jīng)取得一定進(jìn)展，我們預(yù)計(jì)，隨著我們接近商業(yè)應(yīng)用的規(guī)模，專(zhuān)利申請(qǐng)的數(shù)量會(huì)增加，無(wú)論是對(duì)于核聚變產(chǎn)生所需的技術(shù)，還是對(duì)于維持反應(yīng)、利用聚變能量所需要的其他支持性技術(shù)。
 
    目前，全球核聚變實(shí)驗(yàn)的許多知識(shí)產(chǎn)權(quán)的價(jià)值是由許多不同的各方通過(guò)聯(lián)合所有和技術(shù)開(kāi)發(fā)協(xié)議來(lái)分享的。然而，隨著創(chuàng)新的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其他研發(fā)領(lǐng)域，如材料和清潔系統(tǒng)，專(zhuān)利的重要性可能會(huì)更加明顯。在這個(gè)階段，這些合作中的一些創(chuàng)造者很可能會(huì)尋求獨(dú)立地專(zhuān)利保護(hù)，以盡可能廣泛地將他們的技術(shù)商業(yè)化。
 
    這種專(zhuān)利保護(hù)可能有助于確保未來(lái)核聚變動(dòng)力行業(yè)的市場(chǎng)份額，還可能為其他市場(chǎng)機(jī)會(huì)打開(kāi)大門(mén)，其中，那些具有類(lèi)似高性能屬性的技術(shù)，可能會(huì)帶來(lái)商業(yè)利益。
 
    漣漪效應(yīng)

就像美國(guó)宇航局的投資激發(fā)了創(chuàng)新以及世界各地的經(jīng)濟(jì)效益一樣，政府領(lǐng)導(dǎo)的對(duì)核聚變的投資也可能產(chǎn)生類(lèi)似的效果。