核聚变技术准备好要兑现它曾提出的承诺了吗?

经过超过30年的发展，核聚变技术准备好要兑现它曾提出的承诺了吗?最近聚变取得显著和快速的进步，而且很明显，未来5到10年仍然是个关键。

对全球2011年至2020年与核聚变有关的专利申请进行分析，结果显示，2018年，向世界知识产权组织(WIPO)提交的国际专利(IPFs)的数量达到顶峰。随后几年有所下降，但这可能是由于数据不完整所致，因为新申请的公开延迟了18个月。

对前五个国家局的创新活动的审查显示，中国和美国的申请数量分别在2019年和2017年达到顶峰。尽管专利申请在其他国家(例如日本和德国)处于明显较低的水平，而且看上去同比还略有下降，但总体情况表明，随着大规模核聚变发电前景的临近，这个领域的科学研究正在积聚势头。

日益增长的乐观情绪

作为研发项目的引领者，在持续多年进展缓慢后，去年11月，英国卡勒姆聚变能源中心的MAST Upgrade 试验实现了第一个等离子体，这一消息让人们越发乐观，感觉核聚变发电已经诱人的接近。

作为到2050年取得零碳排放目标的一部分，英国政府还宣布，它正在寻找一个100公顷的场地，来建造世界上第一个核聚变原型发电厂，并希望在2030年开始建设。在英国原子能机构(UKAEA)监管下，能源生产项目(STEP)球形的托卡马克，也试图在2040年建立一个运营设施。

在过去的三十年甚至更长时间内，核聚变发电的主要障碍是实现“聚变点火”，即达到核聚变能量自我维持的点。在全球已经开发了60多个不同的原型之后，人们对维持等离子体以促进点火和维持燃烧的最佳方法仍然没有达成共识。

位于法国南部的国际热核实验反应堆(ITER)似乎处于领先地位，它正在开展设备组装工作。这将成为世界上最大的托卡马克聚变反应堆，能够达到“生功产率大于消耗”。它计划2025年开始第一次等离子体实验，那时候它将以50兆瓦的功率注入热量，产生500MW的输出，并维持400到600秒。氘-氚聚变实验则将于2035年进行。

相比之下，英国STEP项目的规模小很多，它的目标是获得100MW的净能量输出。

“核聚变点火”方面取得大部分进展来自于实验室开展的实验，这些实验的重点是达到核聚变所需的极高压力和温度。为了在实验室里达到这个要求，必须首先点燃一种燃料，它含有两种最重的氢同位素，也就是氘和氚。还需要达到1.5亿摄氏度的温度——而这比太阳温度还高。以这种方式实现核聚变点火具有难以置信的挑战性，而且事实上取得进展的速度非常缓慢。

然而，几个政府支持的多学科实验，包括ITER、MAST Upgrade 和位于加州的国家点火装置(NIF)，现在正在同时或多或少地接近取得解决方案。

进展让人兴奋

尽管规模相对较小，但英国的MAST Upgrade也在持续对紧凑聚变电厂的探索，并取得让人兴奋的成绩。

最初的大型安培球形托卡马克(MAST)从2000年运行到了2013年，人们对它进行了升级，改造中优化了一些性能，包括创新了等离子体排气系统。

最近的专利申请集中于偏滤器的发展，比如超级X分流器，作为排气系统的一部分，可以用于减少离开等离子体的粒子的热和功率。MAST Upgrade是第一个采用超级X分流器的托卡马克。

美国也正在进行类似的紧凑型核聚变研究项目，包括建设一个叫Sparc的反应堆，它由麻省理工学院和核聚变系统联盟运行。预计它将在2021年起步，并有望在三到四年内完成。

创新者对聚变本身的信心高涨，并正在其他研究领域展开竞争，包括：开发能够在长期运行中承受所需的极端温度和压力的先进材料，以及清洁和维护反应堆的新方法。

例如，最近的专利申请，有一些是意图开发核聚变反应堆中面向等离子体的材料。这些创新活动集中于等离子体表面材料的组成、结构和制造过程。关于清洗聚变反应堆的新方法，也已有专利申请，例如，远程维护的方法和系统、反应堆静电尘埃检测和清除的方法和系统。

重大创新的需求

在其他最近进展中，激光限制技术已经成为托卡马克核聚变反应堆的潜在替代品。

这项技术不是利用强大的磁场来约束等离子体，而是使用激光脉冲，来压缩一个原料小球，实现聚变反应。这个技术可以提供更紧凑的发电设备，以及实现更多的潜在应用。然而，就像托卡马克一样，在实现商业激光约束系统的工业化生产之前，仍然需要重大的创新。特别是，在进行可能的商业应用之前，需要进一步开发以产生足够强大和高效的激光。

许多针对核聚变早期阶段的实验，具有复杂、多学科的性质，以及为了进行这些实验所需的建设项目的规模，都意味着实验的进展会缓慢。为聚变技术取得专利申请，距离我们看到的其他发电技术所取得的专利数量还有较大差距。但是，对于一些作为基石的关键技术，专利保护已经取得一定进展，我们预计，随着我们接近商业应用的规模，专利申请的数量会增加，无论是对于核聚变产生所需的技术，还是对于维持反应、利用聚变能量所需要的其他支持性技术。

目前，全球核聚变实验的许多知识产权的价值是由许多不同的各方通过联合所有和技术开发协议来分享的。然而，随着创新的重点转移到其他研发领域，如材料和清洁系统，专利的重要性可能会更加明显。在这个阶段，这些合作中的一些创造者很可能会寻求独立地专利保护，以尽可能广泛地将他们的技术商业化。

这种专利保护可能有助于确保未来核聚变动力行业的市场份额，还可能为其他市场机会打开大门，其中，那些具有类似高性能属性的技术，可能会带来商业利益。

涟漪效应

就像美国宇航局的投资激发了创新以及世界各地的经济效益一样，政府领导的对核聚变的投资也可能产生类似的效果。