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來(lái)源: 網(wǎng)易科技報道 3月17日消息，中國和美國正在競相實(shí)現首個(gè)電網(wǎng)規模的核聚變能源。盡管美國在這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先數十年，但中國正以雙倍投入和創(chuàng )紀錄的項目加速追趕。 核聚變常被稱(chēng)為清潔能源領(lǐng)域的“圣杯”，每公斤燃料所能產(chǎn)生的能量是傳統核裂變的四倍，是煤炭燃燒的四百萬(wàn)倍，而且不會(huì )產(chǎn)生溫室氣體或長(cháng)期放射性廢物。據研究機構Ignition Research預測，如果計劃進(jìn)展順利，到2050年，核聚變市場(chǎng)的規模至少將達到1萬(wàn)億美元。 然而，核聚變領(lǐng)域目前面臨著(zhù)一個(gè)巨大挑戰。麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程教授丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）指出：“目前宇宙中唯一運行的核聚變發(fā)電廠(chǎng)就是恒星�！� 美國在1952年通過(guò)氫彈試驗首次實(shí)現了大規模核聚變釋放（但不可控）。此后的70年里，全球科學(xué)家一直在努力將核聚變反應用于發(fā)電。 核聚變反應發(fā)生在氫原子在極端高溫下，它們會(huì )融合在一起，形成一種超高溫氣體，也就是等離子體。理論上，這個(gè)過(guò)程中釋放的質(zhì)量可以轉化為巨大的能量，但等離子體通常難以控制。一種常見(jiàn)的方法是使用強大的磁體將等離子體懸浮并控制在一種金屬環(huán)形真空室（托卡馬克）內。 另一種方法則是使用高能激光，瞄準胡椒粒大小的燃料顆粒，迅速壓縮并引發(fā)內爆。2022年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗室（NIF）通過(guò)這種方式首次實(shí)現了核聚變點(diǎn)火，產(chǎn)生了凈正能量。 自那以后，美國核聚變初創(chuàng )企業(yè)獲得的私人投資激增。根據核聚變工業(yè)協(xié)會(huì )（FIA）的數據，投資額從2021年的12億美元飆升至超過(guò)80億美元。FIA的40家成員公司中，有25家位于美國。 為滿(mǎn)足人工智能數據中心激增的能源需求，大型科技公司正推動(dòng)傳統核能（基于核裂變而非核聚變）投資大幅增加。亞馬遜、谷歌和Meta已簽署承諾，計劃到2050年將全球核能產(chǎn)量增加兩倍。 FIA首席執行官安德魯·霍蘭德（Andrew Holland）表示：“如果你關(guān)心人工智能，關(guān)心能源領(lǐng)導地位……你就必須投資核聚變。如果美國不在這個(gè)領(lǐng)域取得先手，中國就會(huì )領(lǐng)先�！� 資金、規模和速度 盡管美國擁有最多正在運行的核電站，但中國在新建核電項目上獨占鰲頭。盡管中國首個(gè)核反應堆的動(dòng)工時(shí)間比美國晚近40年，但現在中國在建的核裂變發(fā)電站數量遠超其他國家。 中國在21世紀初加入核聚變競賽，比美國晚了約50年。當時(shí)，中國與30多個(gè)國家合作，參與了法國的國際大型熱核聚變實(shí)驗反應堆（ITER）項目。然而，ITER項目此后遭遇了重大延誤。 盡管世界各國之間的競爭日益激烈，但美國的私營(yíng)部門(mén)仍處于領(lǐng)先地位。FIA數據顯示，在全球80億美元的私人核聚變投資中，美國占60億美元。 其中，麻省理工學(xué)院孵化的初創(chuàng )公司Commonwealth Fusion Systems融資最多，接近20億美元，投資者包括微軟聯(lián)合創(chuàng )始人比爾·蓋茨（Bill Gates）、亞馬遜創(chuàng )始人杰夫·貝索斯（Jeff Bezos）和谷歌。 總部位于華盛頓的Helion則從OpenAI聯(lián)合創(chuàng )始人兼首席執行官山姆·奧特曼（Sam Altman）等投資者處籌集了10億美元資金，并與微軟達成了一項雄心勃勃的協(xié)議，計劃在2028年前將核聚變電力并入電網(wǎng)。 同時(shí)，谷歌支持的TAE Technologies也籌集了12億美元資金。TAE Technologies首席執行官米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）表示：“誰(shuí)擁有近乎無(wú)限的能源，誰(shuí)就能影響你所想到的一切。若掌控權落入錯誤之手，那將產(chǎn)生可怕的后果�！� 而在公共資金方面，中國大幅領(lǐng)先。美國能源部下屬核聚變能源科學(xué)辦公室的數據顯示，中國政府每年投入約15億美元用于支持核聚變研究，而美國聯(lián)邦政府過(guò)去幾年對核聚變的年均投入約為8億美元。 特朗普總統在首個(gè)任期內曾大力支持核能，包括核聚變，而這一政策也延續到了拜登總統任期。然而，在聯(lián)邦政府大規�？s減開(kāi)支的背景下，特朗普第二任期內的核聚變開(kāi)發(fā)前景尚不明朗。 今年2月，美國參議員和核聚變專(zhuān)家發(fā)布報告，呼吁聯(lián)邦政府投入100億美元，以幫助美國保持領(lǐng)先地位。然而，在反應堆規模方面，美國可能已經(jīng)失去了領(lǐng)先優(yōu)勢。通常而言，反應堆的規模越大，加熱和約束等離子體的效率越高，產(chǎn)生凈正能量的可能性也越大。 美國遙感衛星數據公司Planet Labs提供的一系列衛星圖像顯示，2024年中國正在四川綿陽(yáng)快速建設一座巨型激光核聚變實(shí)驗設施。CNA Corporation的德克爾·伊夫萊斯（Decker Eveleth）指出，該設施的聚變反應容器穹頂大約是NIF同類(lèi)設施的約兩倍大。FIA的霍蘭德表示，該設施可能是一個(gè)聚變-裂變混合反應堆。 中國現有的國家級托卡馬克項目EAST近年來(lái)不斷創(chuàng )下新紀錄，并與法國的WEST項目在等離子體約束時(shí)間上展開(kāi)競爭。然而，與美國實(shí)現凈能量增益這一關(guān)鍵目標相比，這仍屬次要里程碑。另一個(gè)由中國政府資助的大型項目夸父（CRAFT）預計今年完工。這個(gè)位于合肥、占地超過(guò)40公頃、耗資7億美元的核聚變園區，也將建設一個(gè)新的托卡馬克裝置BEST，預計2027年完工。 霍蘭德指出，中國的夸父項目似乎與美國科學(xué)家在2020年發(fā)布的計劃相似。他說(shuō)：“美國國會(huì )沒(méi)有采取任何行動(dòng)以投入資金實(shí)施該計劃，而中國則已經(jīng)在推進(jìn)�！� 人才與材料 中國快速部署新核聚變項目的同時(shí)，美國的努力主要集中在升級現有設備，其中一些已有30多年歷史。TAE的賓德鮑爾表示："沒(méi)有人愿意在'老古董'上工作"，并補充新項目更能吸引人才，"存在一定的人才流失問(wèn)題"。 21世紀初，美國國內核聚變研究的預算削減迫使大學(xué)停止新設備研發(fā)，研究人員轉而前往其他國家（包括中國）的裝置進(jìn)行研究。Commonwealth Fusion Systems聯(lián)合創(chuàng )始人鮑勃·穆姆加德表示："我們沒(méi)有自建新設備，而是去中國協(xié)助建造，當時(shí)想著(zhù)'這樣挺好，他們擁有設施，我們能獲取知識'。唉，這其實(shí)是個(gè)大錯誤。" 根據報告，中國當前核聚變專(zhuān)利數量居全球之首，核聚變科學(xué)與工程領(lǐng)域博士數量是美國的十倍。賓德鮑爾指出："西方有限的人才儲備被所有企業(yè)爭搶?zhuān)@是根本性制約。" 除人才外，核聚變項目需大量高功率磁體、特種金屬、電容器及功率半導體等材料。Helion首席執行官大衛·柯特利（David Kirtley）透露，其最新原型機"北極星"（Polaris）的研發(fā)周期完全取決于半導體供應。中國正試圖壟斷這些材料的供應鏈，復制其在光伏和動(dòng)力電池領(lǐng)域的成功路徑�？绿乩麖娬{："中國在先進(jìn)材料研發(fā)上的投資強度是美國的十倍，我們必須改變現狀。" 總部上海的核聚變企業(yè)能量奇點(diǎn)聲明"無(wú)疑受益于中國高效供應鏈"。2023年6月，該公司宣布在開(kāi)始設計托卡馬克僅兩年后，就以創(chuàng )紀錄的時(shí)間成功產(chǎn)生等離子體。 不過(guò)，這距離實(shí)現電網(wǎng)級商業(yè)化核聚變發(fā)電仍有差距。Helion目標2028年率先并網(wǎng)，Commonwealth宣布將在弗吉尼亞州建設首個(gè)聚變電站ARC，計劃2030年代初投運。 麻省理工學(xué)院懷特教授總結："即使首個(gè)聚變電站落戶(hù)美國，我們也不應自滿(mǎn)。真正的終點(diǎn)是建立成熟的核聚變產(chǎn)業(yè)，為全球（包括AI中心）提供能源解決方案。" |
