核聚變正在走來！

經(jīng)過超過30年的發(fā)展，核聚變技術(shù)準備好要兌現(xiàn)它曾提出的承諾了嗎？最近聚變?nèi)〉蔑@著和快速的進步，而且很明顯，未來5到10年仍然是個關(guān)鍵。
 
    對全球2011年至2020年與核聚變有關(guān)的專利申請進行分析，結(jié)果顯示，2018年，向世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）提交的國際專利（IPFs）的數(shù)量達到頂峰。隨后幾年有所下降，但這可能是由于數(shù)據(jù)不完整所致，因為新申請的公開延遲了18個月。
 
    對前五個國家局的創(chuàng)新活動的審查顯示，中國和美國的申請數(shù)量分別在2019年和2017年達到頂峰。盡管專利申請在其他國家（例如日本和德國）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，這個領(lǐng)域的科學研究正在積聚勢頭。
 
    日益增長的樂觀情緒

作為研發(fā)項目的引領(lǐng)者，在持續(xù)多年進展緩慢后，去年11月，英國卡勒姆聚變能源中心的MAST Upgrade 試驗實現(xiàn)了第一個等離子體，這一消息讓人們越發(fā)樂觀，感覺核聚變發(fā)電已經(jīng)誘人的接近。
 
    作為到2050年取得零碳排放目標的一部分，英國政府還宣布，它正在尋找一個100公頃的場地，來建造世界上第一個核聚變原型發(fā)電廠，并希望在2030年開始建設(shè)。在英國原子能機構(gòu)（UKAEA）監(jiān)管下，能源生產(chǎn)項目（STEP）球形的托卡馬克，也試圖在2040年建立一個運營設(shè)施。
 
    在過去的三十年甚至更長時間內(nèi)，核聚變發(fā)電的主要障礙是實現(xiàn)“聚變點火”，即達到核聚變能量自我維持的點。在全球已經(jīng)開發(fā)了60多個不同的原型之后，人們對維持等離子體以促進點火和維持燃燒的最佳方法仍然沒有達成共識。
 
    位于法國南部的國際熱核實驗反應堆（ITER）似乎處于領(lǐng)先地位，它正在開展設(shè)備組裝工作。這將成為世界上最大的托卡馬克聚變反應堆，能夠達到“生功產(chǎn)率大于消耗”。它計劃2025年開始第一次等離子體實驗，那時候它將以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-氚聚變實驗則將于2035年進行。
 
    相比之下，英國STEP項目的規(guī)模小很多，它的目標是獲得100MW的凈能量輸出。
 
    “核聚變點火”方面取得大部分進展來自于實驗室開展的實驗，這些實驗的重點是達到核聚變所需的極高壓力和溫度。為了在實驗室里達到這個要求，必須首先點燃一種燃料，它含有兩種最重的氫同位素，也就是氘和氚。還需要達到1.5億攝氏度的溫度——而這比太陽溫度還高。以這種方式實現(xiàn)核聚變點火具有難以置信的挑戰(zhàn)性，而且事實上取得進展的速度非常緩慢。
 
    然而，幾個政府支持的多學科實驗，包括ITER、MAST Upgrade 和位于加州的國家點火裝置（NIF），現(xiàn)在正在同時或多或少地接近取得解決方案。
 
    進展讓人興奮

盡管規(guī)模相對較小，但英國的MAST Upgrade也在持續(xù)對緊湊聚變電廠的探索，并取得讓人興奮的成績。
 
    最初的大型安培球形托卡馬克（MAST）從2000年運行到了2013年，人們對它進行了升級，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)。
 
    最近的專利申請集中于偏濾器的發(fā)展，比如超級X分流器，作為排氣系統(tǒng)的一部分，可以用于減少離開等離子體的粒子的熱和功率。MAST Upgrade是第一個采用超級X分流器的托卡馬克。
 
    美國也正在進行類似的緊湊型核聚變研究項目，包括建設(shè)一個叫Sparc的反應堆，它由麻省理工學院和核聚變系統(tǒng)聯(lián)盟運行。預計它將在2021年起步，并有望在三到四年內(nèi)完成。
 
    創(chuàng)新者對聚變本身的信心高漲，并正在其他研究領(lǐng)域展開競爭，包括：開發(fā)能夠在長期運行中承受所需的極端溫度和壓力的先進材料，以及清潔和維護反應堆的新方法。
 
    例如，最近的專利申請，有一些是意圖開發(fā)核聚變反應堆中面向等離子體的材料。這些創(chuàng)新活動集中于等離子體表面材料的組成、結(jié)構(gòu)和制造過程。關(guān)于清洗聚變反應堆的新方法，也已有專利申請，例如，遠程維護的方法和系統(tǒng)、反應堆靜電塵埃檢測和清除的方法和系統(tǒng)。
 
    重大創(chuàng)新的需求

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

這項技術(shù)不是利用強大的磁場來約束等離子體，而是使用激光脈沖，來壓縮一個原料小球，實現(xiàn)聚變反應。這個技術(shù)可以提供更緊湊的發(fā)電設(shè)備，以及實現(xiàn)更多的潛在應用。然而，就像托卡馬克一樣，在實現(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，在進行可能的商業(yè)應用之前，需要進一步開發(fā)以產(chǎn)生足夠強大和高效的激光。
 
    許多針對核聚變早期階段的實驗，具有復雜、多學科的性質(zhì)，以及為了進行這些實驗所需的建設(shè)項目的規(guī)模，都意味著實驗的進展會緩慢。為聚變技術(shù)取得專利申請，距離我們看到的其他發(fā)電技術(shù)所取得的專利數(shù)量還有較大差距。但是，對于一些作為基石的關(guān)鍵技術(shù)，專利保護已經(jīng)取得一定進展，我們預計，隨著我們接近商業(yè)應用的規(guī)模，專利申請的數(shù)量會增加，無論是對于核聚變產(chǎn)生所需的技術(shù)，還是對于維持反應、利用聚變能量所需要的其他支持性技術(shù)。
 
    目前，全球核聚變實驗的許多知識產(chǎn)權(quán)的價值是由許多不同的各方通過聯(lián)合所有和技術(shù)開發(fā)協(xié)議來分享的。然而，隨著創(chuàng)新的重點轉(zhuǎn)移到其他研發(fā)領(lǐng)域，如材料和清潔系統(tǒng)，專利的重要性可能會更加明顯。在這個階段，這些合作中的一些創(chuàng)造者很可能會尋求獨立地專利保護，以盡可能廣泛地將他們的技術(shù)商業(yè)化。
 
    這種專利保護可能有助于確保未來核聚變動力行業(yè)的市場份額，還可能為其他市場機會打開大門，其中，那些具有類似高性能屬性的技術(shù)，可能會帶來商業(yè)利益。
 
    漣漪效應

就像美國宇航局的投資激發(fā)了創(chuàng)新以及世界各地的經(jīng)濟效益一樣，政府領(lǐng)導的對核聚變的投資也可能產(chǎn)生類似的效果。