核聚變突圍

       一系列技術(shù)突破表明，人類對于核聚變的探索已從理論推演走到了工程試驗階段，核聚變永遠(yuǎn)50年的“魔咒”可能正在慢慢被解除。
       (來源：能源新媒 文/本刊記者 范珊珊)
       在劉慈欣的小說《流浪地球》里，重核聚變行星發(fā)動機推動地球開啟星際流浪之旅；在《三體》中他描述了“無工質(zhì)飛船”——核聚變飛船帶領(lǐng)人類逃往太空。這些小說中對于終極能源利用的想象，可能不再停留在科幻階段。
       近期，長期以來被稱為“永遠(yuǎn)的50年”的可控核聚變?nèi)〉昧硕鄠�重大突破，實現(xiàn)可控核聚變商業(yè)化的時間周期可能因此而大大縮短。
       5月1日，合肥緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）項目工程總裝工作比原計劃提前兩個月啟動，項目方稱力爭在2027年完成項目建設(shè)；4月30日，國際熱核聚變實驗堆（ITER）組織宣布，這一由30多國數(shù)十年共建的“人造太陽”已完成其“電磁心臟”——世界最大、最強的脈沖超導(dǎo)電磁體系統(tǒng)的全部組件建造。之前的4月16日，新奧集團能源研究院對外稱，其球形環(huán)氫硼聚變裝置“玄龍-50U”取得重大技術(shù)突破，在國際上首次實現(xiàn)氫硼聚變等離子體100萬安培放電。3月，中國“環(huán)流三號”首次實現(xiàn)了原子核溫度1.17億°C、電子溫度1.6億°C的“雙億度”突破，并大幅提升等離子體電流、能量約束時間綜合參數(shù)。盡管上述技術(shù)路線并不完全一致，但近期核聚變裝置獲得的突破性進展，已然讓科幻敘事照進了現(xiàn)實。
       不同于傳統(tǒng)的核裂變，核聚變模仿了太陽的能量生成機制，對于溫度、約束時間等提出了苛刻的條件。其技術(shù)復(fù)雜度和集成度之高，極大挑戰(zhàn)了物理學(xué)的極限。更艱難之處在于，研究者們無法一次性做出一個完美的實驗裝置，需要經(jīng)過多次迭代，一步步逼近理想的技術(shù)指標(biāo)。
       在全球能源需求激增的背景下，尤其是科技巨頭對可持續(xù)能源的渴求，核聚變被視為“終極能源解決方案”。在行業(yè)人士看來，核聚變領(lǐng)域一系列的創(chuàng)新突破，標(biāo)志著人類對于核聚變的探索已經(jīng)從理論推演走到了工程試驗階段，核聚變永遠(yuǎn)50年的“魔咒”似乎正在慢慢被解除。
       01“人造太陽”
       核聚變指的是兩個較輕的原子核結(jié)合成一個較重的核，同時釋放巨大能量的核反應(yīng)形式。因無限、清潔和安全的特性，可控核聚變被認(rèn)為是解決人類能源問題的終極方案。
       實現(xiàn)聚變有三種途徑，磁約束、慣性約束和引力約束。在燃料的選擇方面，主要路線方式包括氘氚聚變、氘氘聚變、氫硼聚變等。
       1934年，澳大利亞物理學(xué)家奧利芬特首次實現(xiàn)氘氘核聚變反應(yīng)，之后幾乎每個工業(yè)化國家都建立了自己的聚變物理實驗室。到20世紀(jì)50年代中期，核聚變裝置已在蘇聯(lián)、英國、美國、法國、德國和日本運行。通過實驗，科學(xué)家們對聚變過程的理解逐漸加深。
       1968年，蘇聯(lián)取得了重大突破。其研究人員利用托卡馬克裝置，獲得之前從來沒有的溫度水平和等離子體約束時間。之后托卡馬克就逐漸成為了國際磁約束核聚變研究的主流設(shè)備，托卡馬克裝置的數(shù)量在全球范圍內(nèi)快速增加。
       直到20世紀(jì)90年代，歐盟的JET、美國的TFTR和日本的JT-60這三個大型托卡馬克裝置，在磁約束核聚變研究中獲得了許多重要成果，包括等離子體溫度達4.4×108K,脈沖聚變輸出功率超過16.2MW，聚變輸出功率與外部輸入功率之比Q值超過1.25。
       這些實驗的成功，證實了基于氘氚的磁約束聚變作為核聚變反應(yīng)堆的科學(xué)可行性。
       與國際基本同步，我國20世紀(jì)50年代開始，開始了在可控核聚變領(lǐng)域的研究，并于1965年在四川樂山建成了我國核聚變研究基地——西南物理研究所（今中核集團核工業(yè)西南物理研究院）。當(dāng)時，國際上不同的技術(shù)路線此消彼長，最終蘇聯(lián)科學(xué)家提出的托卡馬克方案異軍突起，國際核聚變界的重點研究轉(zhuǎn)向了托卡馬克路線。
       中國20世紀(jì)90年代開始托卡馬克研究。1993年，中國科學(xué)院等離子體物理研究所建成了第一臺超導(dǎo)托卡馬克裝置HT-7。2002年，中核集團核工業(yè)西南物理研究院建成了中國環(huán)流器二號A裝置（HL-2A）。2006年，世界上第一臺全超導(dǎo)托卡馬克裝置東方超環(huán)（EAST）首次成功放電。同年，中國正式加入國際熱核聚變實驗堆計劃ITER項目，承擔(dān)了其中約10%的研發(fā)制造任務(wù)，負(fù)責(zé)完成ITER裝置多個重要部件的設(shè)計、制造與裝配任務(wù)。
       “托卡馬克裝置目前是全世界主流的核聚變裝置。在全球163座核聚變設(shè)施中，托克馬克裝置有80臺，其他裝置包括仿星器、激光/慣性約束等等。”中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心副主任顏曉虹介紹說。
       托卡馬克被譽為“人造太陽”。其裝置的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈，在通電時內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋形磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。
       核聚變實驗有兩個關(guān)鍵參數(shù)——聚變?nèi)�乘積與聚變增益因子Q。
       聚變?nèi)�乘積是衡量核聚變反應(yīng)效率和性能的關(guān)鍵指標(biāo)。實現(xiàn)核聚變反應(yīng)，需要同時滿足三個條件：足夠高的溫度、一定的密度和一定的能量約束時間，三者的乘積稱為聚變?nèi)�乘積。根據(jù)勞遜判據(jù)，只有聚變?nèi)�乘積大于一定值（5×1021m⁻³·s·keV），才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。
       勞遜判據(jù)（Lawson Criterion）是判斷受控核聚變能否實現(xiàn)能量凈輸出的閾值條件，其核心思想是：單位時間內(nèi)聚變反應(yīng)釋放的能量必須大于系統(tǒng)損失的能量。這一判據(jù)通過量化溫度、等離子體密度和能量約束時間三者的乘積來評估反應(yīng)效率。
       聚變增益因子Q是直接衡量聚變反應(yīng)堆品質(zhì)的參量。其定義為聚變反應(yīng)產(chǎn)生的聚變能量輸出值與外部能量輸入值之比。當(dāng)Q=1時，輸出能量與輸入能量達到平衡。但由于能量輸入和輸出過程會有能量損耗，為了保證反應(yīng)時長，需要更高Q值（至少達到Q=5）才可能在不需要外部加熱的條件下實現(xiàn)自我維持，達到真正的點火條件。如果再考慮到反應(yīng)堆的建設(shè)和運營等成本，則Q值至少等于10達到經(jīng)濟平衡，Q值大于30的時候核聚變發(fā)電站有望實現(xiàn)商業(yè)化。
       2022年12月，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）首次實現(xiàn)了“凈能量增益”，即聚變輸出的能量超過輸入能量。這一突破被譽為“核聚變領(lǐng)域的阿波羅時刻”。能夠?qū)崿F(xiàn)Q>1，即解決了世界性的一大難題。
       正是實現(xiàn)這項技術(shù)的條件要求高、實現(xiàn)難度之大，使得科學(xué)家們常常感嘆，人類距離核聚變發(fā)電似乎永遠(yuǎn)相差50年。
       02資本入場
       然而，隨著高溫超導(dǎo)材料、人工智能等技術(shù)的突破，可控核聚變在近些年越來越多的受到資本市場的追捧。據(jù)核聚變行業(yè)協(xié)會（FIA）《2024年全球聚變行業(yè)報告》報告，2024年全球核聚變公司數(shù)量已從2022年的33家增長至45家，核聚變產(chǎn)業(yè)吸引了71億美元（約514億元人民幣）的投資，比2023年高出近10億美元，其中絕大部分來自私營資本。
       我國核能發(fā)展遵循了“熱堆—快堆—聚變堆”三步走戰(zhàn)略。在此背景下，越來越多的企業(yè)和資本開始入局攻關(guān)核聚變技術(shù)。
       目前，中國在核聚變研究上形成了三股主要力量：以中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院和中核集團核工業(yè)西南物理研究院為主的“國家隊”，新奧集團這樣的民營企業(yè)，以及市場化資本支持下的能量奇點、星環(huán)聚能等初創(chuàng)公司。這些核聚變研發(fā)主體不斷在技術(shù)和裝置取得突破，創(chuàng)造了中國乃至全球的“首個”。
       2023年以來，國務(wù)院國資委啟動未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領(lǐng)域為未來能源的唯一方向。2023年12月29日，由中核集團牽頭，25家央企、科研院所、高校等組成的可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體正式宣布成立。截至2024年12月，可控核聚變聯(lián)合創(chuàng)新體成員單位已發(fā)展至33家，涉及上游材料供應(yīng)、制造研發(fā)和下游應(yīng)用等環(huán)節(jié)，包括能源企業(yè)、裝備制造企業(yè)、鋼鐵材料企業(yè)、科研機構(gòu)和高校等。
       除了本身與核電產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的主體外，石油巨頭也投身到核聚變的熱潮中。2024年，中國石油昆侖資本出資29億元，持有聚變新能（安徽）有限公司（以下簡稱聚變新能公司）20%的股份。聚變新能公司是我國核聚變能商業(yè)化的重要實施主體平臺之一，按照“緊湊型聚變實驗裝置（BEST）—聚變工程示范堆（CFEDR）—首個商業(yè)聚變堆”三步走戰(zhàn)略，系統(tǒng)布局實驗研究、工程示范及商業(yè)化應(yīng)用的全鏈條發(fā)展路徑。
       地方國資也在入局核聚變。2025年4月，上海未來產(chǎn)業(yè)基金戰(zhàn)略投資中國聚變能源有限公司，是該基金自2023年成立以來的首個直投項目，也是上海國投公司在未來能源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略布局。中國聚變能源有限公司原名中國核燃料有限公司，成立于1983年，由中國核電的控股股東中國核工業(yè)集團100%持股。2023年12月29日，中國聚變能源有限公司（籌）舉行揭牌儀式。
       中國民營資本對于核聚變的投資熱度也在提升。新奧集團從2017年開啟緊湊型聚變技術(shù)探索，2022年確定了球形環(huán)氫硼聚變技術(shù)路線。新奧的核聚變商業(yè)化路線分為三步。第一步為2026年在“玄龍-50U”上實現(xiàn)氫硼聚變反應(yīng)；第二步是到2030年在下一代聚變裝置“和龍-2”實現(xiàn)全面的氫硼聚變；第三步是到2035年前實現(xiàn)工程可行性，將球形環(huán)氫硼聚變推進到商業(yè)化。
       能量奇點公司2021年6月在上海成立。在成立后不到8個月，上海本土游戲公司米哈游聯(lián)合蔚來等公司，領(lǐng)投了能量奇點公司的天使輪。2023年4月28日，能量奇點公司已完成近4億元Pre-A輪融資，投資方包括ENLIGHTENMENT、米哈游、云和方圓、黑門股權(quán)基金等。至此，能量奇點已經(jīng)累計融資近8億元人民幣。
       2024年3月，能量奇點公司建成了全球首臺全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置“洪荒70”。接下來，計劃2027年建成Q值（能量增益目標(biāo)）大于10的“洪荒170”，以證明核聚變能源的商業(yè)可行性；再建設(shè)“洪荒380”，以實現(xiàn)示范性聚變發(fā)電。
       民營企業(yè)進入核聚變的賽道，無疑是對“國家隊”的有益補充。他們的加入讓核聚變賽道變得更為豐富，如氫硼聚變、緊湊型聚變裝置、球形托卡馬克裝置、仿星器裝置、場反裝置等。初創(chuàng)公司建造一個小型的裝置，不過是兩到三年的時間。不需要像ITER一樣一次性投入200多億美元，只需要數(shù)億美元就可能驗證成敗。
       可以確定的是，技術(shù)的進步離不開資本持續(xù)的投入。根據(jù)普林斯頓大學(xué)的研究人員測試，一座1000MW的核聚變電廠成本在27億美元到97億美元之間。若核聚變完全商業(yè)化，根據(jù)Ignition Research估算，到2050年將成為一個至少1萬億美元的市場。也就是說，可控核聚變潛在市場規(guī)模龐大，未來隨著可控核聚變商業(yè)化進程的推進，產(chǎn)業(yè)鏈或?qū)⑦M入快速發(fā)展期。
       03商業(yè)化挑戰(zhàn)
       一般而言，可控核聚變研究分為六個階段，原理探索、規(guī)模實驗、燃燒實驗、實驗堆、示范堆及商用堆。簡單講就是在證明理論可行的基礎(chǔ)上，驗證人類有能力實現(xiàn)，最終在經(jīng)濟上能接受。中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所專家在接受《能源》雜志采訪時表示，“環(huán)流三號”的“雙億度”突破，標(biāo)志著我國核聚變研究正式挺進燃燒實驗階段，繼續(xù)提升等離子體整體運行參數(shù)，研發(fā)聚變堆材料和工程系統(tǒng)，突破穩(wěn)態(tài)運行、材料與工程經(jīng)濟性等瓶頸。
       在我國，托卡馬克裝置EAST實現(xiàn)千秒級高約束模運行，“環(huán)流三號”實現(xiàn)電子及離子一億攝氏度溫度，玄龍-50U氫硼等離子體實現(xiàn)100萬安培電流。這些數(shù)據(jù)證明科學(xué)可行性已接近。
       但是，可控核聚變工程化驗證，是一項沒有任何過往經(jīng)驗可供參考的創(chuàng)新性工作。中國的計劃在快速推進，民營資本進入聚變賽道后，對實現(xiàn)商業(yè)化聚變能源的速度提出了更大膽的主張。
       “在可控核聚變‘大國競賽’中，國內(nèi)外是平行并跑。目前拼的是誰能更好、更快，以更具性價比的方式落地。”星環(huán)聚能首席科學(xué)家譚熠稱。
       “從理論和邏輯來看，現(xiàn)在各家研究所或企業(yè)采用的每一種聚變能技術(shù)路線似乎都說得過去。但到底能不能把聚變能做出來，或者說能不能通過工程化驗證，則存在‘可能走不通’的風(fēng)險。中國在這方面是有優(yōu)勢的。我們具備完善的產(chǎn)業(yè)鏈、強大的工程落地能力，以及大量電子、機械、AI領(lǐng)域人才。”譚熠坦言。
       哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王曉鋼指出，實現(xiàn)可控核聚變發(fā)電至少面臨三方面技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，長時間維持等離子體在1億攝氏度以上高溫的穩(wěn)態(tài)運行；其次，若要實現(xiàn)為期20年、每天不間斷地受中子轟擊的商業(yè)化運行，也對聚變裝置材料的性能提出很高要求。聚變?nèi)剂下窂蕉嘣�，其中氘氚最易實現(xiàn)。但缺點是氚產(chǎn)量低、價格高且面臨強管制。
       全球范圍內(nèi)氚的唯一商業(yè)來源是加拿大氘鈾核反應(yīng)堆，年產(chǎn)量不到2公斤。估計單座1GW聚變電站每年耗氚可達數(shù)十公斤甚至上百公斤，僅依賴現(xiàn)有來源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。必須利用聚變放出的高能中子與鋰-6反應(yīng)，生產(chǎn)新的氚，在聚變堆內(nèi)實現(xiàn)氚增殖。
       “自然界中氚因其放射性，伴隨期僅有11年，所以需要邊聚變邊生產(chǎn)。也就是在聚變堆中設(shè)計一個‘氚工廠’，讓聚變產(chǎn)生的中子轟擊鋰6產(chǎn)生氚。但中子以極高能量撞擊反應(yīng)堆內(nèi)壁，會造成內(nèi)壁材料受損，需要定期更換，且內(nèi)壁還帶有放射性，又要考慮廢物處置和輻射安全問題。我們現(xiàn)在處理幾克用于實驗的氚比較有把握，未來如何處理幾公斤的還在研究。”王曉鋼說。
       新奧對全球主要聚變研究機構(gòu)的聚變路線和裝置開展了全面而深入的調(diào)研，最終選擇了球形環(huán)氫硼聚變。氫和硼在地球上儲量豐富，燃料成本極低，規(guī)避了原料難獲得的難題。但是，氫硼聚變需要更高的等離子體溫度，達到約10億～20億攝氏度和更優(yōu)越的磁場約束條件及輔助加熱功能。也就是說，不論是選擇何種路線，都遇到不小的挑戰(zhàn)。
       新奧聚變首席科學(xué)家彭元凱看來，聚變還有50年的說法證明這一研究的歷史困境，諸如基礎(chǔ)科學(xué)突破緩慢、工程復(fù)雜度高、資金投入周期長等問題一直困擾著核聚變行業(yè)的發(fā)展，但當(dāng)前核聚變領(lǐng)域取得的進展已顯著改變了這一預(yù)期。
       04未來方向
       毋庸置疑的是，對于核聚變的探索，是技術(shù)理想與商業(yè)規(guī)律的終極碰撞，也是中國科創(chuàng)突圍的縮影。
       “在人類太空艦隊的發(fā)展方向確定為無工質(zhì)輻射推進后，大功率反應(yīng)堆開始進行太空實驗。這時，地面上的人們常常能看到3萬公里的高空發(fā)出炫目的光芒。這被稱作‘核星’的光芒是失控的聚變堆產(chǎn)生的。核星爆發(fā)并不是聚變堆發(fā)生爆炸，只是反應(yīng)器的外殼被核聚變產(chǎn)生的高溫?zé)�熔了，把聚變核心暴露出來。聚變核心像一個小太陽，地球上最耐高溫的材料在它面前就像蠟一般熔化，所以只能用電磁場來約束它。”《三體》中描述了磁約束聚變發(fā)動機試驗失敗的場景。
       磁約束聚變主要靠磁場來約束高溫等離子體，因此在高溫、高壓的極端環(huán)境中，磁體材料的性能尤為重要。早期的托卡馬克采用的磁體材料為銅導(dǎo)體。這種導(dǎo)體在強大的電流下不可避免地存在發(fā)熱問題，導(dǎo)致能量耗散嚴(yán)重，使得消耗的能量將超過核聚變產(chǎn)生的能量，而且要把銅線圈產(chǎn)生的熱量及時帶走，需要過于龐大的冷卻系統(tǒng)，因此限制了磁約束核聚變的長時間穩(wěn)態(tài)運行。
       超導(dǎo)體由于具有零電阻效應(yīng)，且承載電流密度更高，有利于建造更加緊湊、更高場強的聚變裝置，能夠有效改善長脈沖穩(wěn)態(tài)運行，大大提升了聚變能源的轉(zhuǎn)化效率與能源輸出。超導(dǎo)磁體是磁約束可控核聚變中托卡馬克裝置的關(guān)鍵組成部分之一，幾乎占托卡馬克成本的一半。
       高溫超導(dǎo)磁體和新型位形如仿星器、球形托卡馬克的應(yīng)用，大幅提升了磁場使用和裝置的設(shè)計效率。這意味著小型化聚變堆將成為可能，從而縮短了研發(fā)周期。
       AI在數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)測、實時控制等方面的優(yōu)勢，正在成為推動核聚變研究和應(yīng)用進步的重要力量。托卡馬克聚變裝置的難點之一就是精確控制和約束內(nèi)部的等離子體。而隨著人工智能的不斷發(fā)展，AI在核聚變科研中的應(yīng)用正變得日益廣泛和深入，從數(shù)據(jù)分析到模擬預(yù)測，再到控制反應(yīng)過程，AI的技術(shù)正在為核聚變研究帶來革命性的進展。
       據(jù)彭元凱介紹，人工智能在等離子體控制、故障預(yù)測、實驗優(yōu)化中的應(yīng)用將加速技術(shù)迭代。新奧通過AI算法將等離子體破裂預(yù)測準(zhǔn)確率提升至83.3%，顯著縮短了研發(fā)周期。
       隨著高溫超導(dǎo)磁體和AI在等離子體控制中的應(yīng)用，為可控核聚變裝置的小型化和快速迭代提供了有力支撐，為可控核聚變的發(fā)展提供了新方向。特別對于商業(yè)公司而言，更追求快速的落地。
       提高磁場強度，是做大托卡馬克裝置外另一種提高Q值的方法。超導(dǎo)線圈是聚變堆的關(guān)鍵部件，提供用于約束和控制等離子體的磁場。ITER裝置總共19個TF磁場線圈，每一個線圈重量相當(dāng)于一臺波音747飛機。作為磁體的關(guān)鍵部分，對于大型裝置超導(dǎo)材料的使用還有待驗證。
       在科學(xué)家們看來，在磁約束聚變涉及的工程技術(shù)方面，中國已經(jīng)掌握最全面的、具有最完善的產(chǎn)業(yè)鏈。聚變研發(fā)正從“永遠(yuǎn)50年”進入10～20年窗口期，商業(yè)公司的高效運作可能進一步縮短時間。
       核聚變的探索是一個長周期且高投入的進程�？煽睾司圩兇蠖嗵幱谘b置的早期階段，盡管路途遙遠(yuǎn)，但依然吸引了越來越多的人才與資本參與其中——這也是任何技術(shù)進步的前提。正如托卡馬克之父阿爾茨莫維奇所言，核聚變能否實現(xiàn)取決于社會對其需求的緊迫性。當(dāng)文明迫切需要時，技術(shù)終將突破物理與工程的桎梏。