核聚变突围

       一系列技术突破表明，人类对于核聚变的探索已从理论推演走到了工程试验阶段，核聚变永远50年的“魔咒”可能正在慢慢被解除。
       (来源：能源新媒 文/本刊记者 范珊珊)
       在刘慈欣的小说《流浪地球》里，重核聚变行星发动机推动地球开启星际流浪之旅；在《三体》中他描述了“无工质飞船”——核聚变飞船带领人类逃往太空。这些小说中对于终极能源利用的想象，可能不再停留在科幻阶段。
       近期，长期以来被称为“永远的50年”的可控核聚变取得了多个重大突破，实现可控核聚变商业化的时间周期可能因此而大大缩短。
       5月1日，合肥紧凑型聚变能实验装置（BEST）项目工程总装工作比原计划提前两个月启动，项目方称力争在2027年完成项目建设；4月30日，国际热核聚变实验堆（ITER）组织宣布，这一由30多国数十年共建的“人造太阳”已完成其“电磁心脏”——世界最大、最强的脉冲超导电磁体系统的全部组件建造。之前的4月16日，新奥集团能源研究院对外称，其球形环氢硼聚变装置“玄龙-50U”取得重大技术突破，在国际上首次实现氢硼聚变等离子体100万安培放电。3月，中国“环流三号”首次实现了原子核温度1.17亿°C、电子温度1.6亿°C的“双亿度”突破，并大幅提升等离子体电流、能量约束时间综合参数。尽管上述技术路线并不完全一致，但近期核聚变装置获得的突破性进展，已然让科幻叙事照进了现实。
       不同于传统的核裂变，核聚变模仿了太阳的能量生成机制，对于温度、约束时间等提出了苛刻的条件。其技术复杂度和集成度之高，极大挑战了物理学的极限。更艰难之处在于，研究者们无法一次性做出一个完美的实验装置，需要经过多次迭代，一步步逼近理想的技术指标。
       在全球能源需求激增的背景下，尤其是科技巨头对可持续能源的渴求，核聚变被视为“终极能源解决方案”。在行业人士看来，核聚变领域一系列的创新突破，标志着人类对于核聚变的探索已经从理论推演走到了工程试验阶段，核聚变永远50年的“魔咒”似乎正在慢慢被解除。
       01“人造太阳”
       核聚变指的是两个较轻的原子核结合成一个较重的核，同时释放巨大能量的核反应形式。因无限、清洁和安全的特性，可控核聚变被认为是解决人类能源问题的终极方案。
       实现聚变有三种途径，磁约束、惯性约束和引力约束。在燃料的选择方面，主要路线方式包括氘氚聚变、氘氘聚变、氢硼聚变等。
       1934年，澳大利亚物理学家奥利芬特首次实现氘氘核聚变反应，之后几乎每个工业化国家都建立了自己的聚变物理实验室。到20世纪50年代中期，核聚变装置已在苏联、英国、美国、法国、德国和日本运行。通过实验，科学家们对聚变过程的理解逐渐加深。
       1968年，苏联取得了重大突破。其研究人员利用托卡马克装置，获得之前从来没有的温度水平和等离子体约束时间。之后托卡马克就逐渐成为了国际磁约束核聚变研究的主流设备，托卡马克装置的数量在全球范围内快速增加。
       直到20世纪90年代，欧盟的JET、美国的TFTR和日本的JT-60这三个大型托卡马克装置，在磁约束核聚变研究中获得了许多重要成果，包括等离子体温度达4.4×108K,脉冲聚变输出功率超过16.2MW，聚变输出功率与外部输入功率之比Q值超过1.25。
       这些实验的成功，证实了基于氘氚的磁约束聚变作为核聚变反应堆的科学可行性。
       与国际基本同步，我国20世纪50年代开始，开始了在可控核聚变领域的研究，并于1965年在四川乐山建成了我国核聚变研究基地——西南物理研究所（今中核集团核工业西南物理研究院）。当时，国际上不同的技术路线此消彼长，最终苏联科学家提出的托卡马克方案异军突起，国际核聚变界的重点研究转向了托卡马克路线。
       中国20世纪90年代开始托卡马克研究。1993年，中国科学院等离子体物理研究所建成了第一台超导托卡马克装置HT-7。2002年，中核集团核工业西南物理研究院建成了中国环流器二号A装置（HL-2A）。2006年，世界上第一台全超导托卡马克装置东方超环（EAST）首次成功放电。同年，中国正式加入国际热核聚变实验堆计划ITER项目，承担了其中约10%的研发制造任务，负责完成ITER装置多个重要部件的设计、制造与装配任务。
       “托卡马克装置目前是全世界主流的核聚变装置。在全球163座核聚变设施中，托克马克装置有80台，其他装置包括仿星器、激光/惯性约束等等。”中国国际核聚变能源计划执行中心副主任颜晓虹介绍说。
       托卡马克被誉为“人造太阳”。其装置的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈，在通电时内部会产生巨大的螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。
       核聚变实验有两个关键参数——聚变三乘积与聚变增益因子Q。
       聚变三乘积是衡量核聚变反应效率和性能的关键指标。实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间，三者的乘积称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值（5×1021m⁻³·s·keV），才能产生有效的聚变功率输出。
       劳逊判据（Lawson Criterion）是判断受控核聚变能否实现能量净输出的阈值条件，其核心思想是：单位时间内聚变反应释放的能量必须大于系统损失的能量。这一判据通过量化温度、等离子体密度和能量约束时间三者的乘积来评估反应效率。
       聚变增益因子Q是直接衡量聚变反应堆品质的参量。其定义为聚变反应产生的聚变能量输出值与外部能量输入值之比。当Q=1时，输出能量与输入能量达到平衡。但由于能量输入和输出过程会有能量损耗，为了保证反应时长，需要更高Q值（至少达到Q=5）才可能在不需要外部加热的条件下实现自我维持，达到真正的点火条件。如果再考虑到反应堆的建设和运营等成本，则Q值至少等于10达到经济平衡，Q值大于30的时候核聚变发电站有望实现商业化。
       2022年12月，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）首次实现了“净能量增益”，即聚变输出的能量超过输入能量。这一突破被誉为“核聚变领域的阿波罗时刻”。能够实现Q>1，即解决了世界性的一大难题。
       正是实现这项技术的条件要求高、实现难度之大，使得科学家们常常感叹，人类距离核聚变发电似乎永远相差50年。
       02资本入场
       然而，随着高温超导材料、人工智能等技术的突破，可控核聚变在近些年越来越多的受到资本市场的追捧。据核聚变行业协会（FIA）《2024年全球聚变行业报告》报告，2024年全球核聚变公司数量已从2022年的33家增长至45家，核聚变产业吸引了71亿美元（约514亿元人民币）的投资，比2023年高出近10亿美元，其中绝大部分来自私营资本。
       我国核能发展遵循了“热堆—快堆—聚变堆”三步走战略。在此背景下，越来越多的企业和资本开始入局攻关核聚变技术。
       目前，中国在核聚变研究上形成了三股主要力量：以中科院合肥物质科学研究院和中核集团核工业西南物理研究院为主的“国家队”，新奥集团这样的民营企业，以及市场化资本支持下的能量奇点、星环聚能等初创公司。这些核聚变研发主体不断在技术和装置取得突破，创造了中国乃至全球的“首个”。
       2023年以来，国务院国资委启动未来产业启航行动，明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。2023年12月29日，由中核集团牵头，25家央企、科研院所、高校等组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立。截至2024年12月，可控核聚变联合创新体成员单位已发展至33家，涉及上游材料供应、制造研发和下游应用等环节，包括能源企业、装备制造企业、钢铁材料企业、科研机构和高校等。
       除了本身与核电产业密切相关的主体外，石油巨头也投身到核聚变的热潮中。2024年，中国石油昆仑资本出资29亿元，持有聚变新能（安徽）有限公司（以下简称聚变新能公司）20%的股份。聚变新能公司是我国核聚变能商业化的重要实施主体平台之一，按照“紧凑型聚变实验装置（BEST）—聚变工程示范堆（CFEDR）—首个商业聚变堆”三步走战略，系统布局实验研究、工程示范及商业化应用的全链条发展路径。
       地方国资也在入局核聚变。2025年4月，上海未来产业基金战略投资中国聚变能源有限公司，是该基金自2023年成立以来的首个直投项目，也是上海国投公司在未来能源领域的重大战略布局。中国聚变能源有限公司原名中国核燃料有限公司，成立于1983年，由中国核电的控股股东中国核工业集团100%持股。2023年12月29日，中国聚变能源有限公司（筹）举行揭牌仪式。
       中国民营资本对于核聚变的投资热度也在提升。新奥集团从2017年开启紧凑型聚变技术探索，2022年确定了球形环氢硼聚变技术路线。新奥的核聚变商业化路线分为三步。第一步为2026年在“玄龙-50U”上实现氢硼聚变反应；第二步是到2030年在下一代聚变装置“和龙-2”实现全面的氢硼聚变；第三步是到2035年前实现工程可行性，将球形环氢硼聚变推进到商业化。
       能量奇点公司2021年6月在上海成立。在成立后不到8个月，上海本土游戏公司米哈游联合蔚来等公司，领投了能量奇点公司的天使轮。2023年4月28日，能量奇点公司已完成近4亿元Pre-A轮融资，投资方包括ENLIGHTENMENT、米哈游、云和方圆、黑门股权基金等。至此，能量奇点已经累计融资近8亿元人民币。
       2024年3月，能量奇点公司建成了全球首台全高温超导托卡马克装置“洪荒70”。接下来，计划2027年建成Q值（能量增益目标）大于10的“洪荒170”，以证明核聚变能源的商业可行性；再建设“洪荒380”，以实现示范性聚变发电。
       民营企业进入核聚变的赛道，无疑是对“国家队”的有益补充。他们的加入让核聚变赛道变得更为丰富，如氢硼聚变、紧凑型聚变装置、球形托卡马克装置、仿星器装置、场反装置等。初创公司建造一个小型的装置，不过是两到三年的时间。不需要像ITER一样一次性投入200多亿美元，只需要数亿美元就可能验证成败。
       可以确定的是，技术的进步离不开资本持续的投入。根据普林斯顿大学的研究人员测试，一座1000MW的核聚变电厂成本在27亿美元到97亿美元之间。若核聚变完全商业化，根据Ignition Research估算，到2050年将成为一个至少1万亿美元的市场。也就是说，可控核聚变潜在市场规模庞大，未来随着可控核聚变商业化进程的推进，产业链或将进入快速发展期。
       03商业化挑战
       一般而言，可控核聚变研究分为六个阶段，原理探索、规模实验、燃烧实验、实验堆、示范堆及商用堆。简单讲就是在证明理论可行的基础上，验证人类有能力实现，最终在经济上能接受。中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所专家在接受《能源》杂志采访时表示，“环流三号”的“双亿度”突破，标志着我国核聚变研究正式挺进燃烧实验阶段，继续提升等离子体整体运行参数，研发聚变堆材料和工程系统，突破稳态运行、材料与工程经济性等瓶颈。
       在我国，托卡马克装置EAST实现千秒级高约束模运行，“环流三号”实现电子及离子一亿摄氏度温度，玄龙-50U氢硼等离子体实现100万安培电流。这些数据证明科学可行性已接近。
       但是，可控核聚变工程化验证，是一项没有任何过往经验可供参考的创新性工作。中国的计划在快速推进，民营资本进入聚变赛道后，对实现商业化聚变能源的速度提出了更大胆的主张。
       “在可控核聚变‘大国竞赛’中，国内外是平行并跑。目前拼的是谁能更好、更快，以更具性价比的方式落地。”星环聚能首席科学家谭熠称。
       “从理论和逻辑来看，现在各家研究所或企业采用的每一种聚变能技术路线似乎都说得过去。但到底能不能把聚变能做出来，或者说能不能通过工程化验证，则存在‘可能走不通’的风险。中国在这方面是有优势的。我们具备完善的产业链、强大的工程落地能力，以及大量电子、机械、AI领域人才。”谭熠坦言。
       哈尔滨工业大学教授王晓钢指出，实现可控核聚变发电至少面临三方面技术挑战。首先，长时间维持等离子体在1亿摄氏度以上高温的稳态运行；其次，若要实现为期20年、每天不间断地受中子轰击的商业化运行，也对聚变装置材料的性能提出很高要求。聚变燃料路径多元，其中氘氚最易实现。但缺点是氚产量低、价格高且面临强管制。
       全球范围内氚的唯一商业来源是加拿大氘铀核反应堆，年产量不到2公斤。估计单座1GW聚变电站每年耗氚可达数十公斤甚至上百公斤，仅依赖现有来源远远不够。必须利用聚变放出的高能中子与锂-6反应，生产新的氚，在聚变堆内实现氚增殖。
       “自然界中氚因其放射性，伴随期仅有11年，所以需要边聚变边生产。也就是在聚变堆中设计一个‘氚工厂’，让聚变产生的中子轰击锂6产生氚。但中子以极高能量撞击反应堆内壁，会造成内壁材料受损，需要定期更换，且内壁还带有放射性，又要考虑废物处置和辐射安全问题。我们现在处理几克用于实验的氚比较有把握，未来如何处理几公斤的还在研究。”王晓钢说。
       新奥对全球主要聚变研究机构的聚变路线和装置开展了全面而深入的调研，最终选择了球形环氢硼聚变。氢和硼在地球上储量丰富，燃料成本极低，规避了原料难获得的难题。但是，氢硼聚变需要更高的等离子体温度，达到约10亿～20亿摄氏度和更优越的磁场约束条件及辅助加热功能。也就是说，不论是选择何种路线，都遇到不小的挑战。
       新奥聚变首席科学家彭元凯看来，聚变还有50年的说法证明这一研究的历史困境，诸如基础科学突破缓慢、工程复杂度高、资金投入周期长等问题一直困扰着核聚变行业的发展，但当前核聚变领域取得的进展已显著改变了这一预期。
       04未来方向
       毋庸置疑的是，对于核聚变的探索，是技术理想与商业规律的终极碰撞，也是中国科创突围的缩影。
       “在人类太空舰队的发展方向确定为无工质辐射推进后，大功率反应堆开始进行太空实验。这时，地面上的人们常常能看到3万公里的高空发出炫目的光芒。这被称作‘核星’的光芒是失控的聚变堆产生的。核星爆发并不是聚变堆发生爆炸，只是反应器的外壳被核聚变产生的高温烧熔了，把聚变核心暴露出来。聚变核心像一个小太阳，地球上最耐高温的材料在它面前就像蜡一般熔化，所以只能用电磁场来约束它。”《三体》中描述了磁约束聚变发动机试验失败的场景。
       磁约束聚变主要靠磁场来约束高温等离子体，因此在高温、高压的极端环境中，磁体材料的性能尤为重要。早期的托卡马克采用的磁体材料为铜导体。这种导体在强大的电流下不可避免地存在发热问题，导致能量耗散严重，使得消耗的能量将超过核聚变产生的能量，而且要把铜线圈产生的热量及时带走，需要过于庞大的冷却系统，因此限制了磁约束核聚变的长时间稳态运行。
       超导体由于具有零电阻效应，且承载电流密度更高，有利于建造更加紧凑、更高场强的聚变装置，能够有效改善长脉冲稳态运行，大大提升了聚变能源的转化效率与能源输出。超导磁体是磁约束可控核聚变中托卡马克装置的关键组成部分之一，几乎占托卡马克成本的一半。
       高温超导磁体和新型位形如仿星器、球形托卡马克的应用，大幅提升了磁场使用和装置的设计效率。这意味着小型化聚变堆将成为可能，从而缩短了研发周期。
       AI在数据分析、智能预测、实时控制等方面的优势，正在成为推动核聚变研究和应用进步的重要力量。托卡马克聚变装置的难点之一就是精确控制和约束内部的等离子体。而随着人工智能的不断发展，AI在核聚变科研中的应用正变得日益广泛和深入，从数据分析到模拟预测，再到控制反应过程，AI的技术正在为核聚变研究带来革命性的进展。
       据彭元凯介绍，人工智能在等离子体控制、故障预测、实验优化中的应用将加速技术迭代。新奥通过AI算法将等离子体破裂预测准确率提升至83.3%，显著缩短了研发周期。
       随着高温超导磁体和AI在等离子体控制中的应用，为可控核聚变装置的小型化和快速迭代提供了有力支撑，为可控核聚变的发展提供了新方向。特别对于商业公司而言，更追求快速的落地。
       提高磁场强度，是做大托卡马克装置外另一种提高Q值的方法。超导线圈是聚变堆的关键部件，提供用于约束和控制等离子体的磁场。ITER装置总共19个TF磁场线圈，每一个线圈重量相当于一台波音747飞机。作为磁体的关键部分，对于大型装置超导材料的使用还有待验证。
       在科学家们看来，在磁约束聚变涉及的工程技术方面，中国已经掌握最全面的、具有最完善的产业链。聚变研发正从“永远50年”进入10～20年窗口期，商业公司的高效运作可能进一步缩短时间。
       核聚变的探索是一个长周期且高投入的进程。可控核聚变大多处于装置的早期阶段，尽管路途遥远，但依然吸引了越来越多的人才与资本参与其中——这也是任何技术进步的前提。正如托卡马克之父阿尔茨莫维奇所言，核聚变能否实现取决于社会对其需求的紧迫性。当文明迫切需要时，技术终将突破物理与工程的桎梏。