7月8日,在未来科学大奖十周年庆典·科学峰会的物理专场研讨会上,中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤表示:“可控核聚变的实现将会是未来二十年最具颠覆性的科学变革,这会永久改变人类能源问题,足以支撑未来任何一次工业革命”。
据了解,“未来科学大奖”由香港未来科学大奖基金会有限公司发起,最早源自于2015年“未来产业”成立大会上,一群世界知名的中国科学家和企业家共同发出“打造属于中国的科学大奖”的倡议。次年,“未来科学大奖”应运而生,单项奖金规模高达100万美元。
据悉,该奖项始终关注原创性的基础科学研究,被《Nature》称为“中国的诺贝尔奖”,设有生命科学奖、物质科学奖、数学与计算机科学奖三大奖项,致力于奖励在中国内地(大陆)、香港、澳门、台湾地区做出杰出科学成果的科学家(不限国籍)。
薛其坤,2005年11月当选为中国科学院院士,国家最高科学技术奖获得者。主要研究方向为扫描隧道显微学、表面物理学、自旋电子学、拓扑量子物理和高温超导电性。今年2月,由薛其坤院士领衔的南方科技大学、粤港澳大湾区量子科学中心与清华大学联合研究团队,宣布成功在常压条件下发现镍基氧化物的超导电性,这使得镍基成为继铜基、铁基材料之后的第三类在常压下突破麦克米兰极限的高温超导材料体系)。
一、可控核聚变曾是“永远的五十年”
可控核聚变领域有一个著名的“50年悖论”,即在科技界的预言中,距离实现可控核聚变永远有50年。
20世纪20年代,英国剑桥大学天文学家Arthur Stanley Eddington在《恒星内部结构》一书中指出,太阳的能源应该来自内部的原子核聚变反应。
在此之后,随着量子力学的创立,人们对原子核聚变反应有了更加准确的认识。1937-1938年,德裔美籍物理学家Hans Albrecht Bethe和德国物理学家Carl Friedrich Freiherr von Weizsäcker发现了恒星内部存在的两种氢原子核的聚变反应:质子—质子反应和碳氮氧循环反应。
20世纪50年代,核聚变研究起步初期,先后取得了一些初步进展,随即基于当时的认知和技术路线(主要是磁约束),乐观地估计“再有个50年 ”就能实现商业应用。然而,随着研究的深入,人们发现了越来越多、越来越复杂的技术难题(等离子体不稳定性、材料问题、工程复杂性等)。每当研究进入一个新阶段,或者出现一个看似有希望的突破时,乐观的预期再次指向“大约50年后 ”。这个“50年”的终点线仿佛随着时间推移而同步后移。
二、聚变三乘积增速实际超过“摩尔定律”
芯片领域长期存在着一个著名的经验定律,即摩尔定律。该定律是在1965年,由英特尔(Intel)的创始人之一——戈登·摩尔(Gordon Moore)提出。核心内容是:每隔18-24个月,集成电路上可容纳的晶体管数量就会增加一倍,同时芯片大小也会减半,这意味着相同的芯片面积可以容纳更多的晶体管,从而使得计算机的性能也得到了大幅提升。
虽然“摩尔定律”不是一个真正的物理定律,但却在之后的数十年间指导着计算机和芯片产业的发展过程。
而在核聚变领域,以托卡马克为例:2000年之前,聚变三乘积的增长速度基本保持每隔1.8年翻番,这一速度超过芯片领域的“摩尔定律”,也超过加速器发展增速。
三、政府主导项目瞄准2040年前后示范发电
国际热核聚变实验装置(ITER)计划,是目前世界上规模仅次于国际空间站的大科学工程计划,也是目前在建的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆。根据其最新发布的基线计划,预计将在2034年开始运行,2039年开始氘-氚(D-T)聚变实验运行。但是ITER本身不发电,也不验证持续商业发电所需的所有技术和经济性。而未来核聚变的商业化必须更聚焦于实际发电,燃料循环、经济性和工程可靠性等问题都是必须要考虑的因素。因此,部分国家相继推出自己的示范堆计划,以日本、英国和中国为例:
日本FAST:2024年11月启动的示范电厂项目。今年4月,日本核聚变技术开发公司Kyoto Fusioneering宣布成立了新的实体公司Starlight Engine,并由后者整合产业界、政府官方与学术资源,牵头推进FAST项目的技术开发、业务战略、财务规划、供应链管理以及项目选址等工作,从而加速日本聚变能技术的开发,预计将在2030年代末进行发电示范。
英国STEP:当前重点推进的国家级聚变能发展项目,由英国原子能管理局下属的UKIFS牵头推进,目标是2040年前后建成原型聚变电厂,示范聚变技术的商业可行性,并验证聚变电厂实现燃料(即氚)自给自足的能力。
中国CFEDR:即中国聚变工程示范堆,是聚变新能“BEST—聚变工程示范堆—首个商业聚变堆”三步走战略的第二步,现已全面开展预先研究和设计,有望在不久的将来立项。聚变新能董事长严建文在接受《中国新闻网》采访时表示:“计划在2040年前后联合产业链上下游企业,开展更高聚变功率聚变商业堆建设,努力实现低成本发电。”
四、私营企业计划2030年代进行示范发电
相较于政府主导的项目,私营企业在示范发电时间规划上显得更为激进,甚至计划跨过示范堆,直接从实验堆跨到商业堆阶段。
CFS(美国,全高温超导托卡马克):作为全球核聚变初创公司中的“佼佼者”,CFS目前正在全力推进其SPARC装置的建设与安装,预计将在2026年建成,并在2027年首次验证Q>1;与此同时,CFS还在积极推进其首座商业聚变电厂项目——ARC,计划2020年代末开工,并在2030年代初投用。今年5月,CFS已正式就ARC项目提交分区规划申请,启动项目审批流程。6月30日,CFS宣布已与谷歌达成协议,将在2030年代初从ARC向谷歌供应200MW电力。
Helion Energy(美国,场反位形):今年2月,Helion Energy宣布计划在华盛顿马拉加建造世界首座核聚变发电厂,预计初始发电容量为50MW并在2028年开始发电,未来可能扩展至250MW。5月13日,美国华盛顿州州长Bob Ferguson签署众议院第1018号法案,意在通过简化审批流程、完善监管框架,为Helion Energy等公司的聚变电站建设开辟 “快速通道”,也标志着该州在聚变能源领域迈出历史性一步。
Proxima Fusion(德国,QI+高温超导仿星器):6月11日,德国聚变初创企业Proxima Fusion宣布完成1.3亿欧元(约1.5亿美元)的A轮融资,一跃成为融资总额最高的仿星器商业聚变公司,同时也创下欧洲私营聚变企业单一轮次融资规模之最。该公司计划在2027年完成基于高温超导技术的仿星器模型线圈(SMC),2031年开始运行其示范仿星器Alpha,作为验证Q>1(净能量增益)并迈向首座商用核聚变电厂的关键一步,随后在2030年代交付首创的商业聚变电厂Stellaris。
能量奇点(中国,全高温超导托卡马克):创始人兼首席执行官杨钊曾在接受《腾讯科技》(采访时表示,计划在2027年建成能够实现十倍能量增益的洪荒170装置,2030-2035年建成一个大概电输出功率在50万千瓦(500MW)的中型火力发电站规模的聚变的示范电站。
星环聚能(中国,重复重联高温超导球形环):联合创始人兼首席科学家谭熠曾在接受《科创板日报》(记者专访时表示:计划在2024-2027年建造新一代装置CTRFR-1,以彻底验证其工程的可行性;2027年底或2028年初启动商业示范堆建设,并用3-5年时间完成,目标是在2030年左右展示一个可输出电能的聚变堆。