【原创研究】位于彼岸的核聚变
来源： 远桥资产-张家祺日期：2023-01-30浏览量：266
作者 | 高级分析师 张家祺
人类文明的进步取决于对能源的利用程度，到目前为止，人类文明已经经历了4个阶段，分别是工业革命前的薪柴时期、19世纪中叶的煤炭时期、19世纪末的石油时期、21世纪的可再生能源时期，而当下在碳中和政策作为人类共识、政治共识的当下，可再生能源正在飞速发展。但人类对能源的追求从未停下过脚步。人类文明进入可再生能源时期，仅是解决了能源有限性的问题，为人类社会长期可持续发展打下基础，但对于能源利用的上限以及成本并没有彻底解决，人类渴望的是源源不断的免费清洁能源。而可控核聚变承载了人类的这一理想。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核（主要借助氢同位素），并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了50亿年。核聚变不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，不产生核废料，不产生温室气体，基本不污染环境。人类认识热核聚变是从氢弹爆炸开始的，并希望发明一种装置，可以有效控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出。
正是人类对于可控核聚变的追求，使得美国LLNL在22年12月的实验受到了世界的瞩目。LLNL首次在可控核聚变实验聚变点火过程中实现核聚变反应的净能量增益，即通过核聚变产生的能量比激发聚变所需能量更多。在这次实验中，LLNL消耗了205万焦耳的能量启动了核聚变，并获得了315万焦耳的能量，投入产出比超过150%，超过了此前人类实验70%的成绩。这证实了可控核聚变发展方向的可能性，是人类技术进步的里程碑。但在全球撕裂的当下，也有不少声音担忧，美国是否会借助可控核聚变技术再一次霸顶全球，逆转当下多极化的格局，中国在碳中和领域建立的优势是否会被新的能源体系所颠覆，中美在该领域是否有形成了巨大的差距。
商业化的可控核聚变距离人类社会仍有很远的距离。从商业化的角度思考可控核聚变，至少需要具备成本优势、使用稳定性、规模性。虽然LLNL实现了“在聚变点火过程中实现核聚变反应的净能量增益”，但是完整的能量链条并非如此，需要经历“电能输入→低能激光→高能激光→高能X光→聚变能量输出”的过程。而LLNL在电能输入环节投入的巨大能量，将在激光器环节损耗近99%的能量，仅1%的能量进入了低能激光环节，而在低能激光形成高能激光、高能X光的过程中还需要面临激光倍频损耗及X光转化损耗，将依次损耗约55%、30%的能量。因此，从“高能X光→聚变能量输出”的过程看上去很性感，但在还原全链条的能量投入产出比时，仍处初期。且LLNL斥资35亿美金建造该聚变实验室，占地面积近3个足球场，起始运行的门槛极高，同时面临大量的设备损耗及运行成本，将其进一步计入成本的投入产出，经济性将进一步降低。
而LLNL这一运行过程及最后的实验结果，是在多次连续点火实验中仅有的几次达到“净能量增益”的结果，同时运行时间极短，在运行中的稳定性、可控性仍较低。且最后产生的总能量仅能烧开20壶水，远未达到可收集利用的水平。因此，以人类目前的技术，对于可控核聚变仅仅只是在粗窥其边缘，距离商业化的道路远未达到。LLNL的实验数据固然是技术发展的里程碑，但仍不足以动摇当下的碳中和能源体系、不足以冲击中国在新能源领域形成的优势和建立的新国际体系、不足以成为美国制霸全球的下一把利刃。这从美国自身的态度可见一斑。美国忌惮中国建立的新能源产业国际优势和基于此的新国际体系，试图在关键的能源制造业促进产业回流，颁布了IRA法案，提供3690亿美金在企业生产能源的投资补助上。但对于可控核聚变的新增拨款仅不足7亿美金。这对于回答当下何种能源体系当道，何种能源结构主导世界格局，不同能源技术孰远孰近、孰强孰弱是很好的参考材料。同时，LLNL的实验数据恰巧在中阿峰会举行之后披露，亦是引人遐想，这是美国对美元霸权弱化的怒吼，抑或是声东击西、暗度陈仓的计谋。而中国在可控核聚变领域的技术积累亦不容忽视。现阶段可控核聚变主要聚焦在两个技术方向发展，分别是：1）磁约束，2）惯性约束。中美在两方面均有涉足，但中国更多聚焦于磁约束，美国更多聚焦于惯性约束。磁约束反应堆即托卡马克环形反应堆，工作原理系反应堆加热到超过1亿摄氏度时，会产生旋转的氢同位素等离子体，它们将会碰撞，而产生聚变反应，而超级磁铁产生的磁场随后会将等离子体包含起来。而惯性约束系基于激光的系统，即使用大量的激光脉冲来轰击氢原子。两种技术方向最大的区别在于聚变反应的时间，磁约束可以维持更长时间，但相应的需要更多的能量，因此基于激光的惯性约束可以促使可控核聚变的短时发生，使得实现“净能量增益”相对更容易实现。
现阶段LLNL实现了某种程度的“净能量增益”，暂且不管总能量投入，现阶段LLNL的设备每几个小时才能运行1次，但商业化需要每秒加热10次，道阻且长。而从中国的磁约束路线看，中国是首个实现托卡马克核聚变装置1.6亿摄氏度20秒运行的国家，并将该装置命名为“东方超环”，现在更是突破到100秒的水平，全球领先。因此中美两国现在均在各自的技术方向上形成了比较优势，但均距离真正的“可控核聚变”甚是遥远，但未来发展孰优孰劣，现在孰强孰弱，还未可知。这需要交由时间回答，但确定的是，中国把握到了这一轮新能源大周期的主导权。
