美银：带你走进核聚变反应堆!不产生钚或浓缩铀，强大到举起航空母舰的超导磁体!

　　近日召开的国常会审议通过

　　美国银行可持续发展、主题投资和公用事业研究团队组织了一次实地考察，前往法国两家领先的核聚变研究中心：最近打破了核聚变持续时间世界纪录的法国原子能委员会，以及目前正在建设中的全球最大核聚变研究项目国际热核聚变实验堆。

　　为何选择此时?人工智能、材料科学和超级计算领域的突破正在加速测试，并拓展了潜在的反应堆设计。核聚变可能成为脱碳的关键，通常被视为能源转型的圣杯，为清洁能源提供了一条安全且可持续的途径。

　　了解我们如何在地球上重现太阳的条件

　　核聚变是为太阳和恒星提供能量的过程。在地球上重现这一过程可能会解锁无限的清洁能源，其燃料在海水中含量丰富，且没有连锁反应或长期放射性废物的风险。要做到这一点，需要将气体转化为比太阳热 10 倍的等离子体，并控制它足够长的时间，以获得比创造这些条件所消耗的更多能量。这样做的工程挑战仍然很大 —— 尤其是在制造能够承受反应堆内温度和条件的材料方面 —— 但政府和私营企业都在朝着更长时间和更高温度的核聚变方向加速进展。

　　ITER—— 全球最大的核聚变研究项目

　　ITER 是全球最大的核聚变研究基地，这是一个耗资 220 亿美元的跨国项目，目标是证明大规模核聚变发电的可行性。在一次演讲和参观中，我们看到了正在建设中的用于产生核聚变的机器，以及包括低温系统、燃料和能源在内的多个组件的组装。高峰期需要高达 620 兆瓦的电力，其磁铁产生的磁场强度理论上可以用来悬浮一艘航空母舰。虽然预计要到 2039 年才能全面运行，但从该项目中获得的突破性技术可能会更早实现商业化。机器人技术、材料科学、改善医疗保健的精密诊断技术，以及增强人脑成像技术，都是迄今为止 ITER 已提及的创新衍生技术。

　　CEA—— 迄今为止的世界纪录核聚变等离子体约束

　　美银参观了 CEA 的 WEST 托卡马克核聚变反应堆，该反应堆最近创造了保持核聚变等离子体的世界纪录。该项目是 ITER 所需组件的测试。最终目标是控制等离子体更长时间，并将反应温度提高到超过 1 亿摄氏度。

　　美国银行核聚变实地考察：2025 年 5 月

　　美国银行可持续发展、主题投资和公用事业研究团队为投资者组织了一次实地考察，参观法国的两个开创性核聚变研究中心。我们访问了法国的 CEA以及位于法国圣保罗莱迪朗斯的 ITER。两者均使用托卡马克装置来控制加热到数百万摄氏度的等离子体，并尝试约束该过程中产生的能量。CEA 的装置已建成，2016 年实现了首次等离子体。ITER 的机器规模将扩大 10 倍，但预计到 2034 年才开始研究运行，2039 年全面投入使用。我们参观了目前正在建设中的机器。

　　核聚变基础知识：我们能否在地球上重现太阳的能量转化过程?

　　核聚变是为太阳和恒星提供能量的过程。在地球上重现这一过程的方法是将氢同位素融合，形成更大的原子，在此过程中产生大量能量。实现能够以一定规模和成本效益捕获能量并使其具有商业可行性的工程技术，仍是关键挑战。这一过程需要将轻原子融合在一起释放能量，正如阿尔伯特・爱因斯坦描述质量转化为能量的公式 E=mc² 所示。该过程需要非常高的温度、高粒子密度以及一定时间。这些因素在不同设备中可以相互权衡，其中大多数设备要么使用磁场约束等离子体，要么利用激光或电磁脉冲轰击氢燃料靶来实现惯性约束聚变。

　　磁约束聚变：使用托卡马克等装置将等离子体约束在环形中，加热至数百万度，并利用磁场将其维持足够长的时间，使聚变发生并从中获取有用的能量。这是一个像熔炉一样的连续过程，不断滴入燃料，使反应在低密度状态下长时间持续进行。关键挑战包括所需的材料以及复杂的计算。人工智能、模拟技术以及未来的量子计算可能有助于解决这一问题。我们参观的 CEA 和 ITER 都采用了这种方法。

　　惯性约束聚变：获取燃料靶丸并迅速压缩，对其进行加热和压缩以产生等离子体，捕获由高温和高密度释放出的能量。这是一个重复的脉冲过程，很像内燃机 —— 加入燃料，压缩，释放能量，然后重复。关键挑战在于在反应发生的短时间内获取足够的能量，以及开发用于重复该过程的工程技术。我们参观时，CEA 在另一个场地也在进行惯性约束聚变研究。

　　实现核聚变最容易的燃料组合是氘和氚 。氘存在于水中，因此储量丰富。最初会向核聚变过程中加入一些氚，不过在聚变过程中氚会再生。等离子体物理是其中的核心：将电子从原子核中分离出来会产生等离子体，若能将其捕获并约束足够长的时间，就能产生大量能量。这正是多个研究项目和企业试图达成的目标。

　　为何选择核聚变?具有独特特性的清洁基本负荷能源…… 还有热能!

　　在探讨核聚变能源可能带来的益处时，法国替代能源和原子能委员会以及国际热核聚变实验反应堆都强调，它能够克服当今其他替代能源形式存在的若干缺点。具体而言，核聚变将实现零碳排放，可在任何地点部署，随时调度，从而保障能源安全。此外，它还可用作工业和能源密集型过程的热能

　　一、ITER：全球最大的核聚变研究项目

　　参观 ITER：国际热核聚变实验反应堆

　　ITER 是全球最大的核聚变研究项目，目标是证明大规模核聚变发电的可行性。这是一个跨国合作项目，资金既直接来自参与国政府，也通过私营部门制造所需部件和提供专业咨询服务等形式获得。在由传播主管拉班・科布伦茨及其团队主持的一场介绍和参观活动中，我们看到了正在建设中的用于产生核聚变过程的托卡马克装置，以及包括低温恒温器、真空室和超导磁体在内的多个相关组件的组装情况。

　　清洁能源未来的地缘政治

　　该项目的七个参与方分别是欧盟、美国、中国、印度、日本、韩国和俄罗斯 ，它们共同分担项目成本，共享实验成果以及项目产生的知识产权。项目的成功依赖于各参与国之间的合作 ，尽管在当前的地缘政治环境下困难重重。

　　科布伦茨表示，在他看来，各合作方的共同目标是打造一台能够改变历史的机器，这不仅体现在加速清洁能源发展方面，还在于通过该项目催生出机器人技术、材料科学以及人工智能与模拟技术等领域的突破性技术。此外，他还指出，选择采用磁约束等离子体方法尝试核聚变的部分原因在于，这种方法不会在反应堆中产生钚或浓缩铀等可用于制造核武器的浓缩材料。

　　地球上的核聚变：比太阳核心热 10 倍

　　核聚变是为恒星和太阳提供能量的过程，通过引力将质量转化为能量。在地球上重现这一过程，需要比太阳核心更高的温度，以弥补较弱的引力。这是通过精确控制的磁场来实现的，该磁场用于控制燃烧的等离子体。预期的结果是利用产生的热量来发电。

　　迈向清洁且充足的能源：若我们能约束并塑造极热等离子体

　　核聚变研究的关键目标是探寻一种可按需产生的基本负荷调度电力

　　尽管在过去几年中，多个托卡马克反应堆实现了核聚变，但尚未有反应堆达到显著的能量增益，即所谓的 “三重积” —— 一种衡量磁场强度、密度和体积的指标。国际热核聚变实验堆目标是实现 10 : 1 的能量增益比，这将通过扩大其机器的尺寸和规模来达成，相较于目前已使用的反应堆，包括我们参观过的法国替代能源和原子能委员会的 Tore Supra/WEST 反应堆。

　　材料科学、燃料循环和热管理仍是关键挑战

　　根据国际热核聚变实验堆的观点，要在更大规模上成功实现核聚变并迈向具有商业可行性的反应堆 ，主要还存在以下关键挑战：

　　1)制造能够抵御极端高温和中子潜在损伤的材料;

　　2)热管理;

　　3)燃料循环 —— 创造条件使氚在反应中实现自我再生，目前尚未在大规模上持续实现这一点。

　　强大到足以举起航空母舰的超导磁体

　　超导磁体用于在核聚变过程中约束和控制等离子体。据国际热核聚变实验堆介绍，正在建造的磁体将产生 13 特斯拉的磁场，仅中央螺线管理论上就强大到足以举起一艘航空母舰。我们参观了其建造现场，目前 7 个模块中已有 6 个完成组装。

　　电力供应：高峰期高达 620 兆瓦

　　为了运行国际热核聚变实验堆正在建设的大规模设备，该场地设有一条专用的高压电力线，从附近的法国替代能源和原子能委员会场地延伸而来，将 ITER 与电网相连。等离子体运行高峰期的电力需求在 110 兆瓦到 620 兆瓦之间。一个专用变电站将电力转换为中间水平。冷却水和低温系统将消耗约 80% 的电力供应，但在等离子体运行期间，需要第二个脉冲电力系统为超导磁体和加热系统提供足够的能量。两台柴油发电机可在紧急情况下提供备用电源。

　　由于热屏蔽泄漏、应力腐蚀导致管道开裂等设备和技术问题，以及监管和交付方面的延迟，ITER 项目的时间表最近有所推迟。因此，原定于 2035 年进入等离子体运行阶段的目标，现在改为 2039 年。然而，该项目已经为正在研发的技术和材料创造了商业潜力，比如用于推进人脑图谱绘制、驱动磁悬浮列车的超导磁体，以及在航空航天和高精度诊断等要求严苛的行业中使用的高强度部件。

　　ITER 施工现场探秘

　　作为参观行程的一部分，我们参观了托卡马克装配室和托卡马克大楼内部，还乘坐巴士参观了其他主要建筑，包括动力源设施、低温恒温器车间和低温设备厂。

　　此次实地参观的两大关键亮点是：

　　装配大厅：托卡马克组件正在一座 100 米长、60 米高的专用建筑内进行组装，我们在参观时看到了这一场景，还看到了磁线圈的组装情况。

　　托卡马克坑：建成后的线 吨，待热分流装置及其他设备安装完成后，重量将增至 8500 吨。目前我们看到其九分之一的部分正在组装。

　　二、CEA：低碳能源之城

　　参观 CEA：国际低碳能源研发中心

　　我们参观了 IRFM，它是法国替代能源和原子能委员会下属的磁约束聚变研究机构。该研究所位于法国南部卡达拉舍，毗邻 ITER，Tore Supra 是 IRFM 管理的核聚变项目，于 1988 年开始运行，是世界上第一个成功使用超导磁体以及主动冷却面向等离子体部件的托卡马克装置。

　　磁约束聚变研究所将核聚变视为一种潜在的未来能源。我们参观了他们的低碳能源研发基地，包括利用藻类和其他材料创造能源的生物技术设施，还参观了 WEST 托卡马克核聚变反应堆，该反应堆最近创造了保持核聚变等离子体的世界纪录。

　　材料选择助力核聚变突破

　　数十年的托卡马克发展历程，将可行的偏滤器材料选择缩减至仅两种：碳纤维复合材料和钨。2000 年至 2002 年间，Tore Supra 进行了升级，配备了新型限制器，其功能类似于 ITER 偏滤器，旨在处理高达每平方米 10 兆瓦的 ITER 相关热负荷。

　　此次升级表明，虽然 CFC 限制器在管理峰值功率负荷和维持等离子体兼容性方面表现出色，但由于限制器中的碳与等离子体中的氢同位素之间发生化学反应，它们也会遭受严重侵蚀。

　　2012 年，决定对 Tore Supra 进行改造，以支持 ITER 的开发，项目更名为 WEST。这一改造旨在验证技术并加速 ITER 的进展，同时减少时间和成本。作为 WEST 升级的一部分，所有碳基材料都从真空室中移除。安装了磁线圈，以将真空室中的等离子体从圆形重新塑造为 D 形，并相应地重新配置了加热系统。Tore Supra 从限制器配置转变为偏滤器配置，初始实验活动于 2016 年开始。

　　最初，ITER 计划从 2027 年开始使用 CFC 偏滤器，之后切换为钨偏滤器，在氘 - 氚核聚变运行之前进行。然而，ITER 如果从一开始就安装钨偏滤器，就能够降低成本，并在非核阶段更早地积累使用钨的运行经验，这是 WEST 项目取得进展的直接成果，而近期的世界纪录等离子体持续时间验证了该成果。

　　WEST 最大的运行目标之一

　　我们进入了场地，参观了控制室和托卡马克大厅。目前，WEST 的等离子体半径为 2.4 米，是世界上最大的运行托卡马克装置之一。该项目的最终目标之一是控制等离子体更长时间，同时确保组件与 50 兆戈瑞的辐射以及超过 1 亿摄氏度的温度兼容。

　　每次核聚变实验花费 2 万欧元

　　控制室会在核聚变实验前观察各项条件，在放电前准备参数，在放电过程中监控所有参数。由一组等离子体诊断物理学家负责监管所有测量仪器。目前，每次核聚变实验的成本为 2 万欧元，这限制了该场地能够进行的测试数量。大部分成本源于每次等离子体运行所需的大量能量。