“人造太陽”，指日可待？

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(qiáng)流直線等離子體裝置“赤霄”，由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)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(yùn)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(shí)驗(yàn)裝置（EAST），也就是“一堆”所指的聚變實(shí)驗(yàn)堆，實(shí)現(xiàn)了1億攝氏度1066秒穩(wěn)定運(yùn)行，刷新世界紀(jì)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(shí)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(shí)踐，除了“國家隊(duì)”的大科學(xué)裝置外，核聚變企業(yè)也帶著各種小巧靈動(dòng)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(huì)FIA發(fā)布《2024年全球聚變行業(yè)報(bào)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(rèn)為2030年前其可以實(shí)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(huì)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(dāng)核聚變?nèi)剂希簿褪堑入x子體的輝光在內(nèi)部亮起時(shí)，它將成為一把實(shí)打?qū)嵉摹肮鈩Α薄？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(shí)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(gè)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?yàn)殡?、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凰睾秃ぃ荚诒M可能模擬真實(shí)的聚變。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授孫玄向《中國新聞周刊》解釋，要保持聚變堆穩(wěn)定運(yùn)行，聚變裝置的壁材料問題很棘手。聚變?nèi)剂系牧Ｗ恿鲝?qiáng)度很高，會(huì)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(qiáng)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(yùn)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(shí)爆發(fā)事件，可能會(huì)更高。目前，尚未發(fā)現(xiàn)可以長時(shí)間忍受這一轟擊強(qiáng)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(yàn)收后，中國成為繼荷蘭之后第二個(gè)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(shí)，“赤霄”在噴射1024個(gè)粒子的情況下，可連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)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(qiáng)度達(dá)3特斯拉。“赤霄”也是一個(gè)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(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)”（CRAFT）的一項(xiàng)關(guān)鍵設(shè)施。CRAFT的使命是為中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，也就是“人造太陽”搭建綜合性研究平臺(tái)。周海山介紹，CRAFT相當(dāng)于把聚變堆的所有關(guān)鍵部件進(jìn)行拆解，作為獨(dú)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(tái)專攻加熱、超導(dǎo)磁場等技術(shù)，這樣的技術(shù)平臺(tái)共有十余個(gè)。

“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(gè)組合詞，由“環(huán)形”“真空室”“磁場”“線圈”四個(gè)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(gè)環(huán)形真空室，外面纏繞著線圈，像個(gè)甜甜圈，在通電時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(rèn)為是人類解決能源問題的“終極能源”。實(shí)現(xiàn)可控核聚變的判斷標(biāo)準(zhǔn)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Qgt;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(diǎn)火裝置（NIF）首次成功“點(diǎn)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(xué)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(yuǎn)未真正實(shí)現(xiàn)Qgt;1。設(shè)計(jì)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，Qgt;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(shí)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(dāng)下離這個(gè)目標(biāo)還有很長距離。陳銳認(rèn)為，這也是“赤霄”這樣的突破真正的價(jià)值所在。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，科學(xué)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(jìn)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(rèn)為，核聚變的主要難點(diǎn)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。”孫玄說。全球暫時(shí)還沒有能夠長時(shí)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(shí)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(yán)格，商業(yè)化或難實(shí)現(xiàn)。

如果用具體參數(shù)來衡量，核聚變最重要的是實(shí)現(xiàn)一定的等離子體密度、溫度和能量約束時(shí)間?！叭魏尉圩儓F(tuán)隊(duì)都需要根據(jù)自身技術(shù)路徑，明確三個(gè)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(shí)間，時(shí)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(yùn)行以來，合肥科學(xué)島上的EAST已屢破紀(jì)錄。其等離子體運(yùn)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(shí)現(xiàn)1066秒的穩(wěn)定運(yùn)行。

高級別的能量約束模式因其效率高、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，是未來聚變實(shí)驗(yàn)堆和工程堆穩(wěn)定運(yùn)行的基本模式。孫玄認(rèn)為，EAST刷新自身紀(jì)錄意味著聚變工程運(yùn)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(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷運(yùn)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(shí)現(xiàn)了維持等離子體一定時(shí)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(huì)，列出了當(dāng)年5項(xiàng)重要聚變進(jìn)展，EAST當(dāng)時(shí)已經(jīng)實(shí)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(diǎn)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(dāng)屬落址法國的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）。該項(xiàng)目于2006年啟動(dòng)，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(jì)劃2016年建成運(yùn)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(yùn)行，而氘、氚聚變的首次實(shí)驗(yàn)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(jìn)行生產(chǎn)。ITER在拉丁語中意為“路”，其最初設(shè)計(jì)便是驗(yàn)證聚變堆各環(huán)節(jié)的可行性，是一個(gè)“鋪路”項(xiàng)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(xiàng)目，與國際空間站類似。這種超大科學(xué)工程面臨的挑戰(zhàn)也十分復(fù)雜，無法在設(shè)計(jì)時(shí)就預(yù)測所有技術(shù)困難。

由于建造周期較長，ITER會(huì)遭遇各種不可控的事件，例如，由于是多國共建項(xiàng)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(rèn)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(xiàn)金額，其任務(wù)進(jìn)程可能會(huì)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(shí)驗(yàn)裝置都將ITER的目標(biāo)作為“支線任務(wù)”，業(yè)內(nèi)仍希望看到這一國際項(xiàng)目能夠最終成功。

“由于工程量大、任務(wù)復(fù)雜，各個(gè)國家操持的聚變項(xiàng)目要完整實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)，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(jìn)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(gè)頗為有意思的“50年定律”，即在任何歷史節(jié)點(diǎn)，提起可控核聚變實(shí)現(xiàn)的時(shí)間，永遠(yuǎn)都是“未來50年”。在20世紀(jì)五六十年代，氫彈的成功爆炸讓人們對于可控核聚變的實(shí)現(xiàn)充滿信心。但人們很快意識(shí)到，可控核聚變理論成功，工程化困難，突破性進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)步，特別是高溫超導(dǎo)材料和AI技術(shù)的突破性進(jìn)展。聚變能源的實(shí)現(xiàn)路徑如今更加清晰和可行。

據(jù)FIA報(bào)告，到2023年，全球聚變行業(yè)融資規(guī)模達(dá)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(jìn)的美國聚變企業(yè)當(dāng)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(fēng)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(shí)刻”。

Helion很少透露其技術(shù)路線和參數(shù)。孫玄2006年曾進(jìn)入美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)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(shí)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(huì)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”。陳銳也認(rèn)為，Helion目前所透露的方案確實(shí)有可能實(shí)現(xiàn)。

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(xiàn)。當(dāng)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(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化時(shí)，自然會(huì)通過探索更多理論獲得相似的結(jié)果。例如，Helion瞄準(zhǔn)的是氘、氦-3聚變。月球上有大量的氦-3儲(chǔ)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。

陳銳認(rèn)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(hù)成本都不低，如何在推動(dòng)技術(shù)突破的同時(shí)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，也是“人造太陽”真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的難點(diǎn)。星環(huán)聚能采取先做衍生品的方案，研制了一套等離子體診斷系統(tǒng)，顯著提升了高溫超導(dǎo)磁體的測試效率。這一產(chǎn)品的訂單可達(dá)百萬元級別?！斑@是一個(gè)令人振奮的信號，意味著專業(yè)分工模式能夠走通，階段性成果也能產(chǎn)生收益?！?/p>

孫玄指出，國外許多企業(yè)也開始利用技術(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(shí)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(shí)現(xiàn)之前，投入規(guī)模只會(huì)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(huì)明確提出，可控核聚變是未來能源發(fā)展的重要方向，鼓勵(lì)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(huì)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(shí)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(xué)聯(lián)手建設(shè)了初步驗(yàn)證裝置SUNIST-2，能夠?qū)⒌入x子體加熱至1700萬攝氏度。接下來，星環(huán)聚能將打造下一代技術(shù)驗(yàn)證裝置CTRFR-1，旨在徹底驗(yàn)證可控聚變的工程可行性，預(yù)計(jì)在2028年達(dá)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，在一代實(shí)現(xiàn)后的3—5年內(nèi)完成。

孫玄則更樂觀一點(diǎn)。他也是聚變企業(yè)星能玄光的創(chuàng)始人，他預(yù)計(jì)，星能玄光能夠在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)聚變電力的產(chǎn)出?！捌髽I(yè)很少選擇和‘國家隊(duì)’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(fēng)險(xiǎn)，從不同角度逼近商業(yè)化的答案?！?/p>