核聚变热管理 | 恒星能量如何从宇宙走向商业电站？

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发布时间: 2026/1/12

概要

在地球上“重现太阳”，工程挑战并非只是点燃聚变之火，如何安全、持续、高效地驾驭反应所产生的巨大热能也是挑战之一。

前言

每当仰望星空，我们所见的光和热，本质上是恒星内部持续不断的核聚变反应。模拟这一过程为人类提供清洁、无限的能源，是科学界数十年的追求。在地球上“重现太阳”，工程挑战并非只是点燃聚变之火，如何安全、持续、高效地驾驭反应所产生的巨大热能也是挑战之一。

核聚变反应简介

核聚变是两个轻原子核结合成较重原子核并释放巨大能量的过程。太阳与所有恒星的能量皆来源于此。太阳的核心通过引力约束，在约1500万摄氏度与极高压力下持续进行着聚变。

在地球上，我们无法依赖太阳尺度的引力，实现可控聚变必须采用其他方式来创造和维持反应条件。目前主流的技术路径是磁约束（如托卡马克装置）和惯性约束（如激光聚变）。

无论哪种路径，要实现有效的能量净增益，聚变等离子体都必须满足劳逊条件，即等离子体的温度、密度和能量约束时间三者的乘积需达到一个临界值。当聚变反应释放的能量，特别是其中带电粒子的能量，能够充分反馈以维持等离子体自身高温时，反应才能持续进行。

热量产生的本质与分布

在最有望率先实现商用的氘氚（D-T）聚变反应中，每次反应释放约17.6兆电子伏特（MeV）的能量。这些能量并非均匀释放，主要由两种产物携带：中子（约14.1 MeV）与α粒子（约3.5 MeV）。

中子不带电，几乎不与磁场相互作用，因此会径直飞出等离子体，穿入包围等离子体的包层（blanket）结构中。在那里，中子通过与包层材料（锂、铅、铍等）的核反应被慢化并沉积其动能，将绝大部分能量转化为热能。这部分热能约占聚变释放总能量的80%，是聚变能输出的主体。

α粒子带正电，受磁场约束，能量主要沉积在等离子体内部，用于维持等离子体自身的高温（即“自加热”），从而降低外部加热系统的功率需求。此外，等离子体还会通过辐射损失一部分能量，这部分能量直接作用于最内层的第一壁。

因此，聚变能量的有效利用，关键在于将中子沉积在包层中的热能，以及第一壁所接收的辐射与粒子流热量，通过一套可靠的热传输与转换系统，高效转化为电能。

热量传输的关键环节

高温冷却剂携带的热量需要传递给后续的能量转换系统，这就需要热交换器来搭建这座“桥梁”。

在核聚变能量转换系统中，热交换器将高温冷却剂的热量传递给工质。工质通常是水或其他合适的流体，吸收热量后，工质会发生相变，从液态转变为高温高压蒸汽。

和核裂变电站压水堆式的能量转换系统类似，一回路侧的高温冷却剂与二回路侧的水进行热交换，使二回路侧的水受热汽化，形成高温高压蒸汽，为后续的能量转换提供动力。

近年来，超临界二氧化碳（sCO2）布雷顿循环成为一个颇有吸引力的选项，在高温条件下，CO2的热力循环效率可以比传统蒸汽更高，理论上能把能效提升到40%甚至更高的水平，设备也更为紧凑。

核聚变热管理的目标是将中子和辐射沉积的热能安全、高效地转化为可利用的电能与热资源。实现这一目标，有赖于耐高温抗辐照材料的突破、高效可靠冷却方案的选择、先进热力循环的集成以及系统安全性与可维护性的全面提升。当前，国际热核聚变实验堆（ITER）及各国聚变工程实验堆（如我国的 CFETR）的设计研发，正在这些方向上开展大量实验与验证工作。