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來源: 網(wǎng)易科技報道 3月17日消息，中國和美國正在競相實現(xiàn)首個電網(wǎng)規(guī)模的核聚變能源。盡管美國在這個領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先數(shù)十年，但中國正以雙倍投入和創(chuàng)紀(jì)錄的項目加速追趕。 核聚變常被稱為清潔能源領(lǐng)域的“圣杯”，每公斤燃料所能產(chǎn)生的能量是傳統(tǒng)核裂變的四倍，是煤炭燃燒的四百萬倍，而且不會產(chǎn)生溫室氣體或長期放射性廢物。據(jù)研究機構(gòu)Ignition Research預(yù)測，如果計劃進展順利，到2050年，核聚變市場的規(guī)模至少將達到1萬億美元。 然而，核聚變領(lǐng)域目前面臨著一個巨大挑戰(zhàn)。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)電廠就是恒星。” 美國在1952年通過氫彈試驗首次實現(xiàn)了大規(guī)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(yīng)用于發(fā)電。 核聚變反應(yīng)發(fā)生在氫原子在極端高溫下，它們會融合在一起，形成一種超高溫氣體，也就是等離子體。理論上，這個過程中釋放的質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為巨大的能量，但等離子體通常難以控制。一種常見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(nèi)。 另一種方法則是使用高能激光，瞄準(zhǔn)胡椒粒大小的燃料顆粒，迅速壓縮并引發(fā)內(nèi)爆。2022年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（NIF）通過這種方式首次實現(xiàn)了核聚變點火，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(jù)核聚變工業(yè)協(xié)會（FIA）的數(shù)據(jù)，投資額從2021年的12億美元飆升至超過80億美元。FIA的40家成員公司中，有25家位于美國。 為滿足人工智能數(shù)據(jù)中心激增的能源需求，大型科技公司正推動傳統(tǒng)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(zhí)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(dǎo)地位……你就必須投資核聚變。如果美國不在這個領(lǐng)域取得先手，中國就會領(lǐng)先。” 資金、規(guī)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。盡管中國首個核反應(yīng)堆的動工時間比美國晚近40年，但現(xiàn)在中國在建的核裂變發(fā)電站數(shù)量遠超其他國家。 中國在21世紀(jì)初加入核聚變競賽，比美國晚了約50年。當(dāng)時，中國與30多個國家合作，參與了法國的國際大型熱核聚變實驗反應(yīng)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，但美國的私營部門仍處于領(lǐng)先地位。FIA數(shù)據(jù)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(zhí)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，谷歌支持的TAE Technologies也籌集了12億美元資金。TAE Technologies首席執(zhí)行官米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）表示：“誰擁有近乎無限的能源，誰就能影響你所想到的一切。若掌控權(quán)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(shù)據(jù)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)邦政府過去幾年對核聚變的年均投入約為8億美元。 特朗普總統(tǒng)在首個任期內(nèi)曾大力支持核能，包括核聚變，而這一政策也延續(xù)到了拜登總統(tǒng)任期。然而，在聯(lián)邦政府大規(guī)模縮減開支的背景下，特朗普第二任期內(nèi)的核聚變開發(fā)前景尚不明朗。 今年2月，美國參議員和核聚變專家發(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(yīng)堆規(guī)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(yīng)堆的規(guī)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(wèi)星數(shù)據(jù)公司Planet Labs提供的一系列衛(wèi)星圖像顯示，2024年中國正在四川綿陽快速建設(shè)一座巨型激光核聚變實驗設(shè)施。CNA Corporation的德克爾·伊夫萊斯（Decker Eveleth）指出，該設(shè)施的聚變反應(yīng)容器穹頂大約是NIF同類設(shè)施的約兩倍大。FIA的霍蘭德表示，該設(shè)施可能是一個聚變-裂變混合反應(yīng)堆。 中國現(xiàn)有的國家級托卡馬克項目EAST近年來不斷創(chuàng)下新紀(jì)錄，并與法國的WEST項目在等離子體約束時間上展開競爭。然而，與美國實現(xiàn)凈能量增益這一關(guān)鍵目標(biāo)相比，這仍屬次要里程碑。另一個由中國政府資助的大型項目夸父（CRAFT）預(yù)計今年完工。這個位于合肥、占地超過40公頃、耗資7億美元的核聚變園區(qū)，也將建設(shè)一個新的托卡馬克裝置BEST，預(yù)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：“美國國會沒有采取任何行動以投入資金實施該計劃，而中國則已經(jīng)在推進。” 人才與材料 中國快速部署新核聚變項目的同時，美國的努力主要集中在升級現(xiàn)有設(shè)備，其中一些已有30多年歷史。TAE的賓德鮑爾表示："沒有人愿意在'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題"。 21世紀(jì)初，美國國內(nèi)核聚變研究的預(yù)算削減迫使大學(xué)停止新設(shè)備研發(fā)，研究人員轉(zhuǎn)而前往其他國家（包括中國）的裝置進行研究。Commonwealth Fusion Systems聯(lián)合創(chuàng)始人鮑勃·穆姆加德表示："我們沒有自建新設(shè)備，而是去中國協(xié)助建造，當(dāng)時想著'這樣挺好，他們擁有設(shè)施，我們能獲取知識'。唉，這其實是個大錯誤。" 根據(jù)報告，中國當(dāng)前核聚變專利數(shù)量居全球之首，核聚變科學(xué)與工程領(lǐng)域博士數(shù)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，這是根本性制約。" 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(dǎo)體等材料。Helion首席執(zhí)行官大衛(wèi)·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(dǎo)體供應(yīng)。中國正試圖壟斷這些材料的供應(yīng)鏈，復(fù)制其在光伏和動力電池領(lǐng)域的成功路徑。柯特利強調(diào)："中國在先進材料研發(fā)上的投資強度是美國的十倍，我們必須改變現(xiàn)狀。" 總部上海的核聚變企業(yè)能量奇點聲明"無疑受益于中國高效供應(yīng)鏈"。2023年6月，該公司宣布在開始設(shè)計托卡馬克僅兩年后，就以創(chuàng)紀(jì)錄的時間成功產(chǎn)生等離子體。 不過，這距離實現(xiàn)電網(wǎng)級商業(yè)化核聚變發(fā)電仍有差距。Helion目標(biāo)2028年率先并網(wǎng)，Commonwealth宣布將在弗吉尼亞州建設(shè)首個聚變電站ARC，計劃2030年代初投運。 麻省理工學(xué)院懷特教授總結(jié)："即使首個聚變電站落戶美國，我們也不應(yīng)自滿。真正的終點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。" |
