聚變和裂變可能被視為相互競爭的對手，但聚變技術可以從裂變發展上學到很多，合作可能會在這兩個領域都取得成功。

1、聚變優勢

目前正在法國建造的ITER是多個托克馬克聚變裝置之一。(圖源：ITER)

核裂變和核聚變通常遵循單獨的、有時是競爭性的發展道路。

裂變界傾向于支持人們普遍認為的聚變“永遠是30年后的事”。聚變界聲稱，與裂變相比，聚變提供了巨大的優勢：

根據ITER組織：

“聚變是一種潛在的安全、無碳排放和幾乎無限的能源。”

單位質量聚變釋放的能量幾乎是核裂變反應的四倍。

聚變燃料廣泛可用，而且幾乎取之不盡用之不竭。氘(D)可以從所有形式的水中回收，而氚(T)可在聚變反應過程中由聚變中子與鋰相互作用而產生。

與裂變一樣，聚變不會排放二氧化碳或其他溫室氣體——它的主要副產品是氦氣，一種惰性無毒氣體。

與裂變不同，核聚變反應堆不會產生高放射性或長壽命的核廢料，聚變反應堆中也沒有可用于制造核武器的濃縮材料。

在托卡馬克聚變裝置中，類似于福島核事故是不可能發生的。

至關重要的是，聚變每千瓦時的平均電力成本預計也會類似于裂變——當技術剛開發時，會稍微貴一點，而隨著規模經濟降低成本，成本會更低。

這份清單主要涉及托卡馬克裝置產生的聚變，比如法國南部正在建造的ITER聚變裝置。

完成ITER項目的關鍵組成部分——增強熱負荷第一壁(圖源：中核集團)

ITER建設始于2005年，建立在第一次全球合作的基礎上。

歐洲承擔了其建造成本的近一半，而這家國際合資企業的其他六個成員國(中國、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國)也承擔其余成本。

2、聚變方式

MAST Upgrade是一款由英國支持的球形托卡馬克(圖源：英國原子能機構)

托卡馬克裝置是限制這種聚變裝置所需等離子體的最常見方法。

他們使用強大的超導磁體將等離子體保持在環形(環形)容器中。帶電等離子體粒子本身的流動也會產生磁場，有助于限制等離子體。

然而，還有其他重要的聚變方法。

20世紀50年代，美國天體物理學家萊曼·斯皮策(Lyman Spitzer)表示，磁場也可以配置在一個扭曲的環中——一種被稱為恒星加速器的設備。

最初由蘇聯在20世紀60年代開發的托卡馬克裝置，直到發展到最近才不那么復雜。

Wendelstein 7-X裝置的關鍵部件是一個50圈的超導磁線圈，高度大約為3.5米。

如今，馬克斯·普朗克等離子體物理研究所(IPP)在德國格雷夫斯瓦爾德建造了Wendelstein 7-X實驗恒星加速器，耗資11.5億美元，于2015年完工。

慣性約束，這個想法自20世紀50年代以來就一直存在，聚變等離子體不受磁場約束。相反，沖擊波將其壓縮到所需的巨大密度。

NIF激光室內一名技術人員在將聚變燃料的芯塊被固定在頂部圓柱形黑洞靶位置(圖源：LLNL)

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的美國國家點火設施(NIF)正在研究這種方法，D–T燃料的小膠囊使用激光脈沖內爆。

英國原子能機構(UKAEA)的卡爾哈姆聚變能中心(CCFE)正在進行大量工作，該中心正在進行幾個重大項目。

其中包括歐洲聯合環流器(JET)，它是目前世界上最大、最強大的托卡馬克。

JET項目控制室(圖源：EUROfusion)

JET是歐洲聚變研究計劃的焦點，為ITER提供資金。CCFE的MAST(Mega Amp Spherical Tokamak)Upgrade是一項先進的托卡馬克實驗，試驗被稱為球形托卡馬克的緊湊聚變裝置的設計。

計劃中的STEP大樓(圖源：UKAEA)

用于能源生產的球形托卡馬克(STEP)是一個雄心勃勃的計劃，旨在基于球形托卡馬克概念為商業上可行的聚變發電廠提供集成設計。

韓國KSTAR(圖源：國家聚變研究所)

其他政府支持的項目，包括位于大田的國家聚變研究所(NFRI)的韓國超導托卡馬克反應堆(KSTAR)和中國的實驗先進超導托卡馬克(EAST)，這兩個項目與JET一樣，都將被送入ITER。

EAST托卡馬克(圖源：合肥物理科學研究院)

所有這些項目都旨在產生持續的聚變反應，大多數項目都實現了不同水平的聚變，時間以秒為單位。

有幾個雄心勃勃的后續設備計劃(2050年后)將展示商業聚變能源生產。其中包括EuroFusion計劃中的ITER的繼任者——DEMO;韓國的K-DEMO(與美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室合作)和中國的聚變工程試驗堆。

3、私營企業扎堆

TAE是一家私人資助的聚變技術企業

除了這些政府舉措之外，近年來開發聚變概念的私營公司數量迅速增長。

2022年初，聚變行業協會的一項調查顯示，過去一年，對私營聚變公司的投資增加了一倍多，新成立了8家公司，總數達到約33家。

根據該調查，聚變公司宣布了超過48億美元的資金，比2021增長了139%，私人對聚變能源的投資首次超過了政府的資金。

ST40球形托卡馬克(圖源：托卡馬克能源公司)

一些私人聚變公司正在開發縮小版的托卡馬克設計，例如正在研究球形托卡馬克的托卡馬克能源公司(Tokamak Energy)。

聯邦聚變系統公司(CFS)，由麻省理工學院等離子體科學與聚變中心分拆出來的，正在為SPARC托卡馬克開發高溫超導磁體。

Machine 3示意圖(圖源：First Light Fusion)

另一個大學衍生項目，英國牛津大學的First Light Fusion，正在開發慣性約束，使用電磁射彈槍而不是激光來壓縮目標。

加拿大的General Fusion和UKAEA已經啟動了推進磁化目標聚變商業化的項目，目的是在牛津的卡爾哈姆校區建造一臺演示機。

使用離心機旋轉一個充滿熔融鉛和鋰的腔室，在液態金屬中打開一個空腔，等離子體就在這里。

活塞系統將更多的液態金屬泵入腔室，壓縮等離子體以啟動聚變。該過程以脈沖形式重復。

加州初創公司TAE Technologies計劃放棄D–T燃料，將普通氫氣與硼-11融合。

華盛頓州的初創公司Helion的目標是直接通過聚變發電，而不使用該過程來加熱流體和驅動渦輪機。

Trenta聚變發電機原型的分流器(圖源：Helion Energy)

Helion計劃融合氘和氦-3的混合物。然而，氦-3需要通過D–D聚變產生。

雖然這些私營公司建立在數十年來國家對大型項目的投資基礎上，但一些公司，如托卡馬克能源公司、CFS和GF，也直接受益于英國政府和美國能源部的投資。

4、聚變挑戰

隨著研究的繼續，人們越來越意識到，聚變相對于裂變所聲稱的優勢并沒有那么明確。

毫無疑問，聚變反應堆比裂變反應堆本質上更安全。

由于聚變過程很難啟動和維持，因此不存在失控反應或堆芯熔化的風險。

聚變只能在嚴格的操作條件下發生，在發生事故或系統故障的情況下，等離子體將自然終止，很快失去能量，并在反應堆受到任何持續損壞之前熄滅。

然而，聚變的批評者指出了一些需要解決的潛在問題：鋰-6、鈹和氚的供應有限;電力消耗問題;產生大量的中低級廢物(ILW和LLW);以及冷卻。他們還對不存在擴散風險的說法提出質疑。

氚是另一個關鍵問題。

雖然氫同位素氘可以從海水中廉價提取，但氚的半衰期僅超過12年，因此根本不容易獲得。它只以微量自然存在，并且需要核反應堆來生產。

聚變科學家的目標是通過培育他們需要的氚來解決這個問題。

如果反應堆壁襯有鋰毯，聚變反應中釋放的高能中子可以將鋰分解為氦和氚。

然而，首先需要一個工作的聚變反應堆來以這種方式繁殖氚。

目前，世界上唯一的商業來源是19個加拿大氘鈾(Candu)反應堆，每個反應堆每年產生約0.5公斤。其中一半的反應堆已接近設計壽命的終點。

此外，除非能夠開發出新的生產方法，否則隨著ITER等聚變反應堆開始燃燒燃料，可用的氚庫存將穩步下降。

迄今為止，氚的增殖從未在聚變反應堆中進行過測試，其效率也未知。

在最近的一次模擬中，加州大學的核工程師發現，在最好的情況下，發電反應堆只能產生略多于自身燃料所需的氚。

氚泄漏或長期維護停機可能會進一步降低這一裕度。

丹尼爾·賈斯比(Daniel Jassby)在1999年之前一直是普林斯頓等離子體物理實驗室研究聚變的主要研究物理學家，他在最近的幾篇文章中詳細描述了聚變面臨的問題，指出，有不到10%的注入燃料在逃離反應區之前會被燃燒。

他說：“因此，絕大多數……必須從反應堆無數子系統的表面和內部清除，并在完全燃燒之前重新注入10到20次。”

他補充說，在使用氚的兩個磁約束聚變設施(普林斯頓的托卡馬克聚變試驗堆和JET)中，大約10%的注入氚從未被回收。

至于其他缺點，賈斯比說，聚變產生的中子流直接導致四個問題：對結構的輻射損傷;放射性廢物;生物屏蔽的必要性;以及生產武器級钚239的可能性，從而增加了核武器擴散的威脅。

此外，聚變反應堆也面臨許多裂變問題，“包括氚釋放、令人生畏的冷卻劑需求和高昂的運行成本”。

聚變裝置特有的問題包括不可避免的現場電力消耗，這大大減少了可供銷售的電力，以及氚的有限可用性。

5、輸出電力情況

聚變反應堆消耗了其產生的大部分功率，導致“寄生功率消耗，其規模是任何其他電源都未出現的”。

即使在聚變等離子體處于休眠狀態時，反應堆外部的基本輔助系統也必須持續保持，并且當聚變輸出因任何原因中斷時，必須從區域電網購買該電力。

在磁約束聚變中控制聚變等離子體和在脈沖慣性約束聚變中點燃燃料艙也需要功率。

他補充道，如果聚變功率為300 MWe，那么120 MWe的全部電力輸出幾乎無法滿足現場需求。

“為了有任何經濟運行的機會……聚變功率必須提高到數千兆瓦，這樣總的寄生功率消耗就相對較小”。

聚變反應堆還對產生蒸汽的二次冷卻回路以及從低溫冰箱和泵等其他反應堆子系統中去除熱量的水資源提出了巨大的需求。

寄生電力消耗對用于冷卻的水資源提出了額外需求，這些其他類型的熱電廠都是沒有的。

為了產生可用的熱量，攜帶氘-氚聚變80%能量的中子流必須通過反應堆結構，這些容器結構壁有含鋰覆蓋層和冷卻劑減速、冷卻層。

預計固體容器壁中的中子輻射損傷將比裂變反應堆中的更嚴重。許多部件，如毯和分流器，預計每5-10年需要更換一次。

此外，雖然每公斤廢物的放射性水平比裂變反應堆廢物小得多，但體積會大很多倍。

國際社會越來越認識到，這是一個需要解決的問題。

2022年5月發表在《核聚變》雜志上的一項研究得出結論：“需要制定廢物戰略，以減輕大量廢物對公眾認為聚變是一種可行和清潔的替代能源的影響。”

此外，今年，英國放射性廢物管理委員會(CoRWM)就退役、放射性廢物管理和與聚變能相關的放射性廢物處理的影響發表了一份初步立場文件。

它指出：“除了氚排放和受污染的材料外，還需要在監管控制范圍內，在聚變反應堆的整個生命周期內管理中子活化產生的放射性材料和廢物。”

最后，有人斷言，核聚變不會造成核武器擴散的風險。

賈斯比指出，“在聚變反應堆中，只要將天然或貧鈾氧化物放置在任何能量中子飛行的任何位置，就有可能公開或秘密生產钚239”。

此外，“一個以氘-氚或僅以氘為燃料的反應堆，將有許多公斤的氚庫存，這為轉移用于核武器提供了機會”。

6、從裂變經驗中學習聚變

加拿大核實驗室(CNL)和私人聚變開發商General Fusion將開展一系列聯合項目，以加快在加拿大部署商業聚變動力。

人們越來越意識到這些問題。特別是自2005年ITER開始建設以來，人們已經認識到，與其將裂變視為競爭對手或“不良關系”，聚變界可以從核電行業發展過程中積累的幾十年經驗中學習很多。

有可能有利于社區的協同作用，也有可以解決的共同問題，特別是在四代先進堆的設計和開發方面。

這方面的文章開始出現在《聚變科學與技術》(2005年-四代堆與先進聚變發電廠研究計劃之間的協同作用)等期刊上;聚變工程與設計(2006年-FNT發展與先進核裂變技術之間的協同作用);和Revue Ge´ne´rale Nuclear´aire(2007年-裂變與聚變核能之間的協同作用)。所有這些都指出了開發新材料的必要性、安全和監管問題。

原子能機構一直站在最前沿，鼓勵人們理解核裂變和聚變在能源生產技術發展方面的協同作用，以及長期可持續性——包括放射性廢物的處理——以及聚變設施的法律和體制問題。

2022年初(2月28日至3月3日)，國際原子能機構(IAEA)創新核反應堆和燃料循環國際項目(INPRO)啟動會議舉行。9月舉行了一次后續會議。

這項跨學科研究的總體目標是，支持聚變界在未來幾十年內加快基于聚變的設施和集成聚變裂變系統的開發和實施，并利用INPRO評估和分析盡早發現長期可持續性和所需能力方面的可能差距。

工作范圍包括：審查和批判性分析以往在制定國家立法和基礎設施方面的經驗;參與開創性的新聚變概念;確定關鍵問題，以便從使用INPRO工具和國家方法的角度進行進一步分析;以及在不同情況下確定全球和區域層面的相關政策選擇。

將在2024年根據研究結果編制IAEA核能系列技術報告或IAEA TECDOC系列出版物。

實現這一總體目標將通過IAEA和INPRO成員國在跨領域問題上的合作以及IAEA部門間的合作來實現。

UKAEA 卡爾哈姆服務中心的莎莉·福布斯(Sally Forbes)博士表示：“INPRO的研究將許多非技術領域結合在一起，學習了幾個國家的經驗。由于時間的原因，在核能方面，很多工作都是在最初階段之后完成的，而在聚變方面，我們現在正處于一個可以學習的階段。希望我們能將這些初步討論建立成指導意見，以制定一個共同的框架，在聚變之旅開始時實現一些國際協調，而不是在吸取教訓中使用核能。”

對于核工業來說，安全、安保和保障措施是非常完善的程序，IAEA在這些領域的指導在全世界都得到接受。

然而，福布斯博士指出，聚變的放射性危險性要低得多。

“我們可能不需要全面的核監管立法指導來進行聚變，”她說，監管需要適度，并為一種通常危險性較低但非常創新的技術提供支持。“很明顯，它從核能中提取了很多組件，但其中很多都是創新的。我們正在研究核能監管是否合適。

我相信我們會從中借鑒很多東西，但許多聚變國家正在考慮這一點，也許決定我們需要一個具體的聚變監管框架。”

例如，她指出，英國政府最近決定，英國的聚變將作為放射性設施而非核設施進行監管。

“這仍然意味著我們必須向上建立指導，”她補充道，這是INPRO會議討論的一部分。

“這將納入INPRO的研究——也許著眼于這種相稱性，也許是核框架和輻射框架之間的混合，以調節管理聚變發展。這是關于“從核能中吸取積極的教訓，了解如何在安全保障和環境保護方面采取非常結構化的方法，但也要明白，這可能會導致過度工程或延長時間，而這對聚變的危險程度來說是不必要的”。

7、聚變-裂變協作

6月，IAEA主辦了為期一周的范圍廣泛的“核聚變技術發展與先進核裂變技術之間的協同作用技術會議”。

此次活動的目的是提供一個交流信息的論壇，并對國家和國際兩級核裂變與聚變能源生產技術發展協同作用方面的活動進行最新審查。

這些討論將納入IAEA核能系列出版物，該出版物旨在深入了解所涵蓋的領域，提供良好做法和經驗教訓的例子，并為加速從裂變到聚變的技術、知識和專門知識轉讓提供建議。

聚變和核裂變之間被認為具有強大協同作用和共同性的領域包括開發能夠承受惡劣服務條件的聚變材料，以及將放射性廢物危害降至合理可實現的水平。

聚變和裂變之間具有適度協同作用和共同性的領域包括：

反應堆相關條件下的聚變材料輻照設施;

開發高溫能量轉換系統;

計算工具、設計和安全分析代碼;

聚變能源設施許可的監管規模;

可靠可行的燃料循環增殖材料供應(鋰和鉛);

遠程處理和在役檢查;

遠程控制、輻射強化電子設備和CAD支持的操作。

總的來說，會議得出的結論是，聚變可以受益于與核裂變經驗的許多相關協同作用，以及材料開發、活性金屬管理、遠程處理和液態金屬方面的共性。

四代先進裂變工廠和DEMO等商業聚變設施之間也有發展上的相似之處。

雖然核電站的許可和退役，以及聚變的放射性廢物管理可能需要稍微不同的監管方法——因為潛在的危險/風險降低了——但燃料循環的設計、建造、運行和部分以及聚變設施的等離子體控制等要素與裂變經驗有很多協同作用。

曾在意大利ENEA從事聚變工作的顧問路易吉·迪佩斯表示，他相信聚變和裂變合作有很好的前景。

他指出，聚變界正在從設計規范、安全規范和材料方面學習核能的經驗。

“我認為，未來將出現相反的協同效應。裂變不僅有助于聚變，而且在某些專業領域，聚變可以改進和推進裂變技術，特別是基于先進技術的四代堆。”

他補充道：“我不確定時間表——誰將首先到達商業技術。可能是裂變，但與此同時，隨著雙方朝著示范工廠的方向努力，將有一座橋梁。我們確實不知道將在何時發生，但我認為大概在本世紀中葉。”

他認為，聚變和裂變之間的大問題和主要共性是材料和廢物管理，以及設計規范、安全分析規范和在役檢查。

“聚變反應堆和先進的裂變反應堆都需要在高溫下運行。這意味著材料和商業系統應該設計成在高溫下工作。”

8、核廢料管理經驗

至于核廢料管理，隨著核電站運行壽命的結束，裂變反應堆很快將不得不處理更多的退役問題。

“真正的問題不在于高水平的廢物或乏燃料，而在于大量輕度活化的金屬，聚變可能會面臨同樣的問題。除非他們找到其他解決方案，否則由于中子損傷，每五年就必須更換一次托卡馬克的整個內部構件，這意味著需要數千噸的材料。開發新材料不僅有助于聚變，而且有助于先進堆，其中許多反應堆也將面臨巨大的中子通量。因此，人們對開發耐中子材料有著共同的興趣。”

氚也會對材料造成損壞。另一個點是，產生氚需要裂變。

“例如，要啟動DEMO，我們需要幾公斤氚。目前只能由Candu反應堆生產。問題是氚會衰變，所以你不能將其儲存20年——氚每12年衰變一次”。

迪佩斯對該領域越來越多的私營公司，及其引發的對聚變新熱情表示擔憂。

“他們有很多錢，實際上他們承諾到2030年發電，而政府計劃說我們在2050年之前不會產生電力。他們正在開發聚變機的新概念，主要集中在概念和實驗上。”

與此同時，政府支持的大型項目正在努力解決與材料、燃料庫存以及法律和監管問題有關的問題。

迪佩斯指出，“當有強大的驅動力和資金時，所以說真的，我非常有信心在未來二十年內會實現一些事情。”

然而，他補充說，ITER實驗應該成功是很重要的，“否則我們必須重新考慮一切”。

他補充道：“我希望我們最遲在2070年建成商業反應堆。如果一切順利，DEMO將于2040年開始建設。我希望JET和ITER的經驗也能發揮有所作用。”

他說，他預計到本世紀末會取得一些進展。“這是我的希望。我職業生涯的大部分時間都在做這件事。我很高興我們的年輕同事對此非常熱情。讓從事核聚變和核裂變工作的新一代參與進來也很重要。”

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