聚变燃料的困局与出路:中国氚工厂工程化突破在即
2026-03-16 10:16
收藏

3月14日,一场聚焦“人造太阳”核心技术的氚工厂工程技术研讨会在中国成都举行。会议由先觉聚能科技(四川)有限公司与成都国光电气股份有限公司联合主办,汇聚了彭先觉、于俊崇、蒙大桥三位院士以及来自中国工程物理研究院、核工业西南物理研究院、中国核动力研究设计院、四川大学等二十余家顶尖科研院所和企业的专家代表,共同探讨可控核聚变燃料循环系统的关键突破。

一、本次会议核心:聚焦关键技术突破与安全标准

本次研讨会围绕氚工厂工程建设、关键技术研发、安全保障、产业化落地等核心议题展开深度交流。

3月14日,氚工厂工程技术研讨会现场,中国工程物理研究院做专题报告。

技术攻关成为焦点。 彭先觉院士分享了《Z箍缩聚变裂变混合堆技术进展》,指出纯聚变技术仍面临挑战,聚变与裂变互补的路线有望更快实现安全、规模化的能源供给,而“氚自持”技术必须率先突破,为后续实验堆和商用示范堆奠定基础。

核工业西南物理研究院、中国工程物理研究院、中核404有限公司等单位专家分别围绕聚变堆产氚包层、聚变能源氚技术、燃料外循环、涉氚系统工程等前沿方向作专题报告。

氚工厂工程技术研讨会现场。

安全与标准建设获得高度重视。 于俊崇院士强调,聚变能源发展必须安全与经济性并重。氚工厂涉及放射性燃料循环,全流程安全防控和标准化建设是行业底线,需要产学研各方协同把核心装备与规范做扎实。这与全国政协委员严建文在全国两会上的呼吁相呼应,他明确提出"提前布局聚变核燃料供给产业链",并建议制定行业准入规则、创建国家级聚变尖端制造创新中心。

二、氚有多珍贵:每克价值3万美元的稀缺资源

英国原子能管理局(UKAEA)聚变技术部主任 Stephen Wheeler 曾表示,全球氚的存量估计仅有25-30公斤,价格高达每克30,000至40,000美元。

他说道:“这是未来核聚变需要面临的一大挑战。一个发电站在调试和启动阶段可能需要多达10公斤的氚。”

氚在氘氚聚变中不可或缺,但这种燃料面临着严重挑战。其自然丰度极低,而人工获取数量有限。更棘手的是,氚半衰期短,仅有12.43年,难以长期储存。

全球氚供应同样令人担忧。目前,全球唯一商用氚来源是19座加拿大CANDU核反应堆,每座每年约产0.5千克氚作为副产品。其中半数反应堆将于未来十年内退役。而ITER一旦开始氘氚运行,每年将消耗多达1千克氚,ITER科学部主任Alberto Loarte说:"ITER将消耗大量可用库存"。

三、为什么必须建立氚工厂:聚变能源的"造血系统"

可控核聚变被誉为破解全球能源危机的终极解决方案,然而要让"人造太阳"真正发光发热,一个关键环节必须突破——燃料供给系统。氚工厂就是聚变堆的"心脏",负责聚变燃料的生产、回收与循环利用。

而由于聚变堆的氚燃烧率非常低(ITER约为3‰),聚变燃烧会产生大量的杂质,当杂质浓度达到一定程度时会使得等离子体温度降低,可能导致聚变反应淬灭中止,所以大量未经燃烧的、含杂质的氘氚燃料混合气体需要通过氚工厂来进行提纯处理。

ITER氚工厂示意图,ITER的燃料循环系统采用包括燃料循环主回路和排出物处理回路的二回路设计。运往ITER的氚将被转移到燃料存储和输送系统(SDS),如果在燃料循环中不是立即需要,则可以转移到长期存储系统(LTS)。SDS供应聚变堆运行所需的燃料气体给加料系统(FS)如气体注入系统、弹丸注入系统和中性束注入器(NBI),分析系统(ANS)用于表征和计量气体。来自托卡马克的排灰气、从诊断系统和第一壁清除的氚化气体通过低温泵和低真空泵送到托卡马克排灰气处理系统(TEP)进行处理,回收的氢同位素被转移到同位素分离系统(ISS)进行分离,而剩余的含氚废气在通过氚工厂废气排放点或烟囱释放到环境之前则被送到通排风除氚系统(VDS)进行除氚处理,VDS通过催化氧化氚气和氚化物形成氚化水随后将其捕获。回收的氘和氚从ISS返回到SDS,燃料循环系统形成封闭回路。ISS的含氘氚气转送到水除氚系统(WDS)以实现最终目标去污。另外,还有燃料循环自动控制系统(ACS)与安全系统、放射性环境监测系统(REMS)起到安全运行监测与控制作用。

另外,由于氚在自然界的含量极低,其他外部产氚手段费用昂贵,因此利用聚变堆本身D-T反应产生的14MeV中子轰击增殖包层进行闭式产氚,并且通过氚工厂进行循环回收成为了实现氚自持的首选方案。

因此,此次与会专家形成明确共识:"氚工厂作为聚变燃料生产、回收与循环利用的'心脏',直接决定了聚变能能否从实验走向商用。"

四、为什么是这个时间点:中国聚变发展进入关键期

从1934年氘氚聚变反应被实现以来,苏联、英国、美国等多国都设立了聚变物理实验室,开始了对核聚变实验研究。

到20世纪90年代,欧盟的JET,美国的TFTR和日本的JT60这三大托卡马克装置在磁约束核聚变研究中获得了许多重要成果,验证了基于氘氚聚变的磁约束聚变作为聚变反应堆的科学可行性。

当前核聚变技术路线多样化,托卡马克最为成熟,其他路线同样具备潜力。全球各国及产业巨头加码可控核聚变研发推进,示范核电厂(DEMO)提上日程,产业对行业发展前景乐观,商业化供电有望于10年内实现。其中ITER项目的脉冲超导电磁体系统、回旋加速器、低温恒温器已经建设完成或交付,计划2033~2034年进入综合调试阶段,2034年启动运行,2039年开始氘-氚聚变实验运行(推迟4年)。

而中国聚变能源技术已跻身国际"第一方阵",正加速从科研探索向工程化、商业化转型。

全国政协委员、中核集团聚变领域首席科学家段旭如在两会期间接受采访透露:

"预计2027年可开启聚变燃烧实验研究;2035年左右,将建成中国首个工程实验堆;2045年左右,预计建成中国首个商用示范堆。"(中国环流三号(HL-3)预计在2027年开展氘氚实验,中国环流四号(HL-4)建设项目已进入深入论证阶段。)这一时间线,显示出中国聚变发展的紧迫性。

两会期间,全国政协委员、聚变新能(安徽)有限公司董事长严建文透露:

“2028年建成聚变堆BEST项目,2030年演示发电”,原本的“聚变三步走”战略,如今正在被重新定义。“三步并成两步走,两步并作一步走。意思就是BEST试验堆建好后,工程示范堆和商业示范堆两步并行、同步推进。”

去年11月12日,合肥物质院等离子体所先后发布13亿氚工厂招标,包括内燃料循环平台(3.72亿)、液态包层氚提取系统(2.12亿)、固态包层氚提取与回收实验平台(2.47亿)、氚安全防护平台(5.14亿)等。

五、产业布局:从技术创新到产业生态构建

当前,中国聚变能源产业正处在前所未有的重要发展窗口期,此次成都研讨会,正是为了抓住这一窗口期,搭建起高端的产学研协同平台,旨在整合行业资源、集中力量破解技术瓶颈,并为完善氚技术标准体系奠定基础。

而从技术创新迈向成熟的产业生态,仍需跨越系统性短板。正如全国政协委员、聚变新能有限公司董事长严建文在今年全国两会期间就曾指出,当前中国核聚变产业链体系、标准规范及工程化验证能力尚不完善,特别是涉氚安全管理、聚变堆选址分类等关键环节,亟待通过立法予以明确和规范。这凸显了在加速技术攻关的同时,同步推进顶层设计、法规标准建设的迫切性。

在此背景下,中国正积极谋划,力求在全球聚变产业标准尚未统一定型之际,掌握行业准则制定的国际话语权。这一布局是全方位、系统性的。其中,专业人才储备是基础。 为支撑聚变能源这一长远战略,兰州大学、合肥工业大学等高校已相继成立聚变科学与工程学院,预计全国将有十所左右高校院所跟进设立相关学院,为产业发展源源不断地输送核心人才。通过技术攻坚、标准引领、法规护航、人才支撑多措并举,中国正致力于构建一个自主可控、安全高效、可持续发展的聚变能源产业生态。

最后,随着燃烧实验节点日益临近,氚燃料问题已从边缘议题上升为核心挑战。在这场关乎人类未来能源的竞赛中,可以说,谁掌握了氚燃料产业链,谁就掌握了聚变商业化的钥匙。

本简讯来自全球互联网及战略合作伙伴信息的编译与转载,仅为读者提供交流,有侵权或其它问题请及时告之,本站将予以修改或删除,未经正式授权严禁转载本文。邮箱:news@wedoany.com