“人造太陽”，指日可待？
《中國新聞周刊》作者：周游
發(fā)于2025.2.24總第1176期《中國新聞周刊》雜志
今年1月，“一劍一堆”成為國內(nèi)硬科技界的開年熱詞。
“一劍”是指強流直線等離子體裝置“赤霄”，由中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體所(以下簡稱“等離子體所”)研制。1月14日，“赤霄”全面建成并投入運行，為核聚變裝置材料研發(fā)打通了“任督二脈”。不到一周后，位于合肥的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)，也就是“一堆”所指的聚變實驗堆，實現(xiàn)了1億攝氏度1066秒穩(wěn)定運行，刷新世界紀錄。
有“人造太陽”之稱的托卡馬克裝置，旨在模擬太陽產(chǎn)生能量的原理，在地球上實現(xiàn)可控核聚變，從而產(chǎn)生大量清潔能源。近年來，國內(nèi)核聚變研究從基礎(chǔ)科研逐步邁向工程實踐，除了“國家隊”的大科學裝置外，核聚變企業(yè)也帶著各種小巧靈動的自研裝置“加入戰(zhàn)場”，國內(nèi)商業(yè)核聚變領(lǐng)域規(guī)模初具。
去年7月，聚變行業(yè)協(xié)會FIA發(fā)布《2024年全球聚變行業(yè)報告》，調(diào)研了全球最重要的45家核聚變商業(yè)企業(yè)。35家受訪回復(fù)的企業(yè)中，最樂觀的3家認為2030年前其可以實現(xiàn)聚變電力上網(wǎng)。國內(nèi)企業(yè)星環(huán)聚能是受訪企業(yè)之一，其創(chuàng)始人、CEO陳銳向《中國新聞周刊》表示，2030年左右，至少會有一些商業(yè)聚變公司能夠制造出聚變示范電站。
可控核聚變，真要來了？
從“一劍” 到 “一堆”
長15.5米、重約22.5噸，“赤霄”的流線型結(jié)構(gòu)讓它看上去仿佛一把橫臥的寶劍。它得名于中國古代十大名劍之一的赤霄劍，當核聚變?nèi)剂?，也就是等離子體的輝光在內(nèi)部亮起時，它將成為一把實打?qū)嵉摹肮鈩Α??？煽鼐圩冄b置的本質(zhì)是“燒開水”，將聚變?nèi)剂霞訜岬綐O高的溫度，以實現(xiàn)聚變反應(yīng)。
“赤霄”內(nèi)部每平方米每秒可極速噴射1024個粒子，能夠模擬出與聚變堆內(nèi)部極為相似的環(huán)境，從而破解核聚變裝置材料研發(fā)的難題。等離子體所研究員、聚變堆材料及部件研究室主任周海山向《中國新聞周刊》介紹，未來核聚變堆主要以氫同位素也就是氘、氚作為燃料，因為氘、氚是自然界最容易發(fā)生聚變的粒子?！俺嘞觥笔褂玫氖菤渫凰睾秃?，旨在盡可能模擬真實的聚變。
中國科學技術(shù)大學核科學技術(shù)學院教授孫玄向《中國新聞周刊》解釋，要保持聚變堆穩(wěn)定運行，聚變裝置的壁材料問題很棘手。聚變?nèi)剂系牧Ｗ恿鲝姸群芨?，會轟擊裝置壁，尤其是直接與等離子體接觸的“第一壁”。壁材料需忍受強粒子流轟擊，不發(fā)生融化、濺射等。
因此，第一壁的性能直接關(guān)系到聚變反應(yīng)堆能否長期穩(wěn)定運行。在孫玄看來，等離子體與壁材料的相互作用過程很復(fù)雜，可能出現(xiàn)難以控制的爆發(fā)事件。以前壁材料需要承受的粒子流大概是每平方米1兆瓦，現(xiàn)在接近10兆瓦，如果出現(xiàn)短時爆發(fā)事件，可能會更高。目前，尚未發(fā)現(xiàn)可以長時間忍受這一轟擊強度的材料，“赤霄”未來的任務(wù)十分艱巨。
周海山表示，“赤霄”通過驗收后，中國成為繼荷蘭之后第二個擁有此類裝置的國家，而“赤霄”的綜合性能已做到國際領(lǐng)先。內(nèi)部測試時，“赤霄”在噴射1024個粒子的情況下，可連續(xù)運行24小時，遠超設(shè)計的1000秒。此外，“赤霄”約束粒子流的磁場能力拔群，最高中心磁場強度達3特斯拉?！俺嘞觥币彩且粋€開放設(shè)施，“我們歡迎國內(nèi)外同行使用‘赤霄’做研究、出成果”。
“赤霄”是國家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“聚變堆主機關(guān)鍵系統(tǒng)”(CRAFT)的一項關(guān)鍵設(shè)施。CRAFT的使命是為中國聚變工程實驗堆，也就是“人造太陽”搭建綜合性研究平臺。周海山介紹，CRAFT相當于把聚變堆的所有關(guān)鍵部件進行拆解，作為獨立任務(wù)逐一攻破?！俺嘞觥睂９ケ诓牧蠁栴}，其他技術(shù)平臺專攻加熱、超導(dǎo)磁場等技術(shù)，這樣的技術(shù)平臺共有十余個。
“赤霄”的研制成功向最終的托卡馬克裝置邁出了重要一步。孫玄解釋，托卡馬克是目前最主流的聚變技術(shù)路線，其源于蘇聯(lián)，在俄語中是一個組合詞，由“環(huán)形”“真空室”“磁場”“線圈”四個詞各取一部分拼湊而成。這也囊括了托卡馬克的主要構(gòu)成，其裝置的中央是一個環(huán)形真空室，外面纏繞著線圈，像個甜甜圈，在通電時內(nèi)部會產(chǎn)生強磁場，將其中的等離子體加熱到聚變反應(yīng)所需的溫度。
由于聚變資源豐富且無污染，可控核聚變一直被認為是人類解決能源問題的“終極能源”。實現(xiàn)可控核聚變的判斷標準是Q值，也就是裝置輸出能量與輸入能量之比。如果輸出能量超出輸入，即Q>1，理論上核聚變就可能開始為人類發(fā)電了。
2022年，美國國家點火裝置(NIF)首次成功“點火”，通過慣性約束的方式輸出3.15兆焦耳能量，為輸入能量的1.5倍。但一位不愿具名的國內(nèi)核聚變企業(yè)科學家對《中國新聞周刊》表示，如果算上激光器等裝置的能量損耗，NIF還遠未真正實現(xiàn)Q>1。設(shè)計出一種有能量收益的聚變反應(yīng)，并不意味著聚變發(fā)電能立馬落地。
在孫玄看來，Q>1只是最基本的條件。聚變追求的是自持燃燒，也就是不需要任何輸入功率的穩(wěn)定、長時間能量輸出，如同太陽一樣。最理想的情況應(yīng)該是Q等于無窮大，而當下離這個目標還有很長距離。業(yè)內(nèi)人士認為，這也是“赤霄”這樣的突破真正的價值所在。利用實驗數(shù)據(jù)，科學家們可以更快地確定適宜的工程路徑，從而加速聚變反應(yīng)堆的研發(fā)進程。
托卡馬克之困
目前，仍有“數(shù)座大山”橫亙在我們與真正的聚變反應(yīng)堆之間。
陳銳認為，核聚變的主要難點集中在工程執(zhí)行上。首先，氘氚聚變通常需要1億攝氏度的高溫，是太陽核心溫度的7倍，這對裝置材料和制造工藝提出極高要求。另外，在如此極端的條件下約束高溫等離子體并不容易。
“目前最需要解決等離子體穩(wěn)態(tài)和自持燃燒問題?！睂O玄說。全球暫時還沒有能夠長時間燃燒的聚變堆，許多潛在問題可能尚未浮現(xiàn)。比如燃料問題，如果走氘氚聚變路線，由于氚在自然界不存在，需要人工制取，如何產(chǎn)氚、如何在反應(yīng)中實現(xiàn)氚的循環(huán)使用都是問題。另外，由于氚也用于制造核武器，國家管控非常嚴格，商業(yè)化或難實現(xiàn)。
如果用具體參數(shù)來衡量，核聚變最重要的是實現(xiàn)一定的等離子體密度、溫度和能量約束時間?！叭魏尉圩儓F隊都需要根據(jù)自身技術(shù)路徑，明確三個參數(shù)的數(shù)值?！睂O玄指出，目前亟待突破的就是能量約束時間，時間越長突破難度越大，這正是EAST專攻的領(lǐng)域。
自2006年建成運行以來，合肥科學島上的EAST已屢破紀錄。其等離子體運行次數(shù)超15萬次，在這一領(lǐng)域的工程物理上持續(xù)保持國際領(lǐng)先。在長脈沖、高級別能量約束的模式下，EAST先后跨越60秒、100秒、400秒大關(guān)，并于今年實現(xiàn)1066秒的穩(wěn)定運行。
高級別的能量約束模式因其效率高、經(jīng)濟性強，是未來聚變實驗堆和工程堆穩(wěn)定運行的基本模式。孫玄認為，EAST刷新自身紀錄意味著聚變工程運行模式的轉(zhuǎn)變。早期的托卡馬克只能間歇性地輸出能量。如果要實現(xiàn)24小時不間斷運行，最主要的方法是維持和延長等離子體電流。EAST通過各種加熱手段實現(xiàn)了維持等離子體一定時間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)，“這些都是了不起的結(jié)果”。
2022年3月，美國能源部召開了以“聚變能源商業(yè)化十年愿景”為主題的白宮峰會，列出了當年5項重要聚變進展，EAST當時已經(jīng)實現(xiàn)了400秒高級別能量約束模式下的放電，位列其中。此外，還包括NIF的點火等。
然而，不是所有聚變裝置都能順利完成任務(wù)。國際上最著名的托卡馬克裝置當屬落址法國的國際熱核聚變實驗堆(ITER)。該項目于2006年啟動，成員包括歐盟、美國、中國等7方，耗資已超過200億美元。ITER原計劃2016年建成運行，去年，ITER管理層對外宣布，該裝置要到 2034 年才能首次投入運行，而氘、氚聚變的首次實驗要等到 2039 年。
ITER也采用了任務(wù)拆解的方案，將裝置各部分“外包”給成員國或者組織進行生產(chǎn)。ITER在拉丁語中意為“路”，其最初設(shè)計便是驗證聚變堆各環(huán)節(jié)的可行性，是一個“鋪路”項目。在孫玄看來，ITER可能是人類科研歷史上最大的國際合作項目，與國際空間站類似。這種超大科學工程面臨的挑戰(zhàn)也十分復(fù)雜，無法在設(shè)計時就預(yù)測所有技術(shù)困難。
由于建造周期較長，ITER會遭遇各種不可控的事件，例如，由于是多國共建項目，ITER長期存在資金協(xié)調(diào)問題，受國家間政策影響很大。孫玄認為，如果ITER能夠根據(jù)國家的能力水平分配任務(wù)，而不是根據(jù)貢獻金額，其任務(wù)進程可能會更合理。此外，EAST等裝置的科研成果都與ITER的最終成功密切相關(guān)，國際上許多聚變實驗裝置都將ITER的目標作為“支線任務(wù)”，業(yè)內(nèi)仍希望看到這一國際項目能夠最終成功。
“由于工程量大、任務(wù)復(fù)雜，各個國家操持的聚變項目要完整實現(xiàn)其目標，很可能要再等數(shù)十年?！睂O玄說，“但可以肯定的是，我們已經(jīng)站在了向聚變示范堆進發(fā)的起跑線上?！?/p>
商業(yè)核聚變提速
可控核聚變領(lǐng)域，有一個頗為有意思的“50年定律”，即在任何歷史節(jié)點，提起可控核聚變實現(xiàn)的時間，永遠都是“未來50年”。在20世紀五六十年代，氫彈的成功爆炸讓人們對于可控核聚變的實現(xiàn)充滿信心。但人們很快意識到，可控核聚變理論成功，工程化困難，突破性進展很少。久而久之，“50年定律”深入人心。
但商業(yè)核聚變未必如此。ITER頻繁“跳票”之后，資本市場也開始瞄準各國國內(nèi)的聚變初創(chuàng)企業(yè)。在陳銳眼中，2018年是聚變發(fā)展的元年，得益于技術(shù)與材料的顯著進步，特別是高溫超導(dǎo)材料和AI技術(shù)的突破性進展。聚變能源的實現(xiàn)路徑如今更加清晰和可行。
據(jù)FIA報告，到2023年，全球聚變行業(yè)融資規(guī)模達62億美元，其中超過半數(shù)都來自2021年中期之后。整體融資中僅2.7億美元來自政府公共資金，其余均來自私營部門。
最激進的美國聚變企業(yè)當屬Helion公司。該公司成立于2013年，投資人包括OpenAI CEO山姆·奧特曼。2024年底，奧特曼向媒體透露，Helion將很快演示凈能量增益核聚變。微軟公司已與Helion簽訂對賭協(xié)議，希望在2028年采購由Helion提供的核聚變電力，功率不低于50兆瓦。這一數(shù)字雖小但意義重大，超過了美國頭部風電場42兆瓦的年發(fā)電能力。許多業(yè)內(nèi)人士表示，Helion若能兌現(xiàn)，將是“歷史性時刻”。
Helion很少透露其技術(shù)路線和參數(shù)。孫玄2006年曾進入美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作，了解美國聚變技術(shù)的發(fā)展。他指出，Helion的技術(shù)基于美國深厚的場反位形(FRC)研究歷史。FRC是有別于托卡馬克的一種聚變路徑，其聚變裝置呈直線型。一般直線型裝置中，粒子很容易沿直線逸散，但如果通過磁場反轉(zhuǎn)，在裝置內(nèi)部形成封閉磁場結(jié)構(gòu)，同樣可以實現(xiàn)粒子約束。
環(huán)形托卡馬克的粒子熱流、壁材料、超導(dǎo)等問題，理論上FRC都可以規(guī)避，因此，這一路線近年來備受重視。孫玄表示，從公開資料來看，Helion已關(guān)注到了FRC會導(dǎo)致的等離子體約束和不穩(wěn)定問題，基于FRC的聚變能量轉(zhuǎn)換“有很大的可能性成功”。陳銳對Helion的激進方案持審慎樂觀態(tài)度，認為在缺乏更多公開信息的情況下，還需拭目以待。
無論成功與否，技術(shù)路線的拓展是聚變商業(yè)化的顯著貢獻。當托卡馬克遇到諸多工程困境，企業(yè)又需要緊湊的聚變裝置快速實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化時，自然會通過探索更多理論獲得相似的結(jié)果。例如，Helion瞄準的是氘、氦-3聚變。月球上有大量的氦-3儲備，可以解決燃料來源問題。FRC可能是最適合非氘、氚聚變的一種技術(shù)路線，因此被Helion采納。
業(yè)內(nèi)人士認為，核聚變反應(yīng)所需的電力成本，以及裝置研發(fā)、制造與維護成本都不低，如何在推動技術(shù)突破的同時實現(xiàn)經(jīng)濟效益，也是“人造太陽”真正實現(xiàn)應(yīng)用的難點。孫玄指出，國外許多企業(yè)開始利用技術(shù)生產(chǎn)副產(chǎn)品，例如制作放射性的醫(yī)療同位素等。國內(nèi)企業(yè)如何“沿途下蛋”實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化仍值得探討。等離子體相關(guān)技術(shù)還可以用于目前核裂變電站的核廢料處理。
“聚變是國家的重大戰(zhàn)略需求，在它實現(xiàn)之前，投入規(guī)模只會越來越大?！睂O玄說。2023年11月，國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會明確提出，可控核聚變是未來能源發(fā)展的重要方向，鼓勵更多企業(yè)加入發(fā)展可控核聚變事業(yè)?！吧虡I(yè)化和市場化之后，肯定會有頭部效應(yīng)。但聚變市場非常龐大，可以容納足夠多的企業(yè)共同競爭?！?/p>
從星環(huán)聚能的時間表來看，其已邁出了商業(yè)化的第一步。2023年7月，其與清華大學聯(lián)手建設(shè)了初步驗證裝置SUNIST-2。接下來，星環(huán)聚能將打造下一代技術(shù)驗證裝置CTRFR-1，旨在徹底驗證可控聚變的工程可行性，預(yù)計在2028年左右達成。此后，星環(huán)聚能將著手建設(shè)商業(yè)化聚變示范堆CTRFR-2，在2028年底開始建設(shè)，3—5年內(nèi)完成。
孫玄則更樂觀一點。他也是聚變企業(yè)星能玄光的創(chuàng)始人，他預(yù)計，星能玄光能夠在5年內(nèi)實現(xiàn)聚變電力的產(chǎn)出?！捌髽I(yè)很少選擇和‘國家隊’完全一樣的技術(shù)路線，企業(yè)間的技術(shù)區(qū)分度也很大，這有利于管控風險，從不同角度逼近商業(yè)化的答案?！?/p>
《中國新聞周刊》2025年第6期
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