能源是人類文明存續(xù)與發(fā)展的“生命線”。從農(nóng)耕時代依賴的人力、畜力，到工業(yè)革命后驅(qū)動蒸汽機的煤炭、“點亮”城市的石油與天然氣，每一次能源形態(tài)的升級，都直接推動著生產(chǎn)力躍遷與社會變革。

然而，隨著社會的發(fā)展和文明的進步，能源的需求量越來越大。當(dāng)前人類依賴的能源體系正面臨嚴峻挑戰(zhàn)，例如太陽能、風(fēng)能等可再生能源受晝夜、天氣影響存在間歇性短板，傳統(tǒng)核能又面臨核廢料處理的難題。為了追求更清潔、更持久和更高效的能源方式，核聚變進入世界科技人的研究視野。

人造太陽，正在照進現(xiàn)實

可控核聚變有“人造太陽”之稱，被譽為能源領(lǐng)域的“終極夢想”。它模擬太陽發(fā)光發(fā)熱原理，主要以海水里豐富的氘和氚為原料，在極端高溫高壓下，控制核聚變反應(yīng)的速度和規(guī)模，使輕原子核結(jié)合成較重原子核，從而釋放出巨大能量。此外，由于聚變反應(yīng)的產(chǎn)物是無放射性的惰性氣體氦，幾乎不產(chǎn)生污染。

核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所副總工程師、研究員馮開明早前發(fā)布的一篇研究論文里有這樣一組數(shù)據(jù)：太陽每秒將6.57億噸氫聚變成氦，虧損的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成巨大的太陽能，成為支持太陽系內(nèi)一切活動的能量源泉。氘-氚聚變反應(yīng)將釋放巨大的能量，一升海水中含30mg氘，通過聚變反應(yīng)可釋放出的能量相當(dāng)于300多升汽油燃燒釋放的能量，而反應(yīng)產(chǎn)物是無放射性的。換種說法就是，1L海水可產(chǎn)生相當(dāng)于300L汽油的能量。

“核聚變能源具有安全、燃料豐富、能量效率高等優(yōu)點。”在ITER(國際熱核聚變實驗堆)國際組織副干事羅德隆看來，核聚變的安全性很高，一旦發(fā)生事故，都會使聚變反應(yīng)即刻中止，而且不會出現(xiàn)像裂變反應(yīng)那樣的長期發(fā)熱與大規(guī)模放射性泄漏風(fēng)險，產(chǎn)物半衰期遠短于裂變廢料。

顯而易見的是，“人造太陽”正逐漸照進現(xiàn)實。

“實現(xiàn)可控核聚變的技術(shù)路線主要有三種，可分為磁約束、慣性約束、磁慣性約束三類。”今年7月22日掛牌成立的中國聚變能源有限公司(以下簡稱中國聚變公司)，是中核集團的二級單位，代管核工業(yè)西南物理研究院，被媒體稱為核聚變“國家隊”。據(jù)總經(jīng)理張立波現(xiàn)場介紹，磁約束技術(shù)的主流裝置是一種名為“托卡馬克”的環(huán)形容器，慣性約束技術(shù)的核心部件是激光驅(qū)動器。

業(yè)內(nèi)的共識是，磁約束技術(shù)是核聚變研究中最為接近成功的方案。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所的“東方超環(huán)”EAST和中核工業(yè)西南物理研究院的環(huán)流器二號HL-2M成為代表。以2006年正式建成的“東方超環(huán)”為例，它是我國自行研制的國際首個全超導(dǎo)裝置，2021年5月成功在1.2億攝氏度下運行了101秒。

中國聚變公司亦采用磁約束技術(shù)，其裝置是采用高溫超導(dǎo)材料的緊湊型磁約束聚變裝置。過去，托卡馬克裝置采用低溫超導(dǎo)材料，聚變堆的體積非常大。與之相比，高溫超導(dǎo)材料具有高臨界溫度、高臨界磁場、高載流能力等優(yōu)勢，可將聚變堆的體積縮小到傳統(tǒng)聚變堆的幾十分之一，使聚變能源的商用進程大幅提速。

前景廣闊，挑戰(zhàn)重重

在全球能源轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標的驅(qū)動下，中國科學(xué)家們上演了一場現(xiàn)實版的“夸父逐日”，托卡馬克的環(huán)形磁場和慣性約束的激光束流交匯，推動聚變技術(shù)從跟跑到并跑的質(zhì)變。

技術(shù)復(fù)雜性，國際合作中的資金問題……核聚變的原理極其復(fù)雜，僅僅達到高溫還不足以實現(xiàn)核聚變的實際應(yīng)用，行業(yè)依舊面臨不少挑戰(zhàn)。因此，從業(yè)者們自嘲，核聚變的實現(xiàn)永遠“還要50年”。

“目前聚變研發(fā)主要面臨三大核心難題：一是燃燒等離子體的穩(wěn)態(tài)自持運行，二是材料在高熱與高能中子環(huán)境下的性能維持，三是氚的循環(huán)與自持。”復(fù)旦大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)系教授許敏作主旨演講時如是說。

張立波亦現(xiàn)場介紹了中國聚變公司面臨的挑戰(zhàn)，一方面是由燃燒等離子體穩(wěn)態(tài)自持運行、耐高能中子轟擊和高熱負荷材料，以及氚增殖與自持循環(huán)帶來的技術(shù)難題;另一方面是強場高溫超導(dǎo)磁體、等離子體運行與控制、熱量傳導(dǎo)形成的工程難題。

聚變能源十年可期?

欣慰的是，一批中國商業(yè)核聚變企業(yè)正在崛起，走到核聚變行業(yè)的“臺前”。

據(jù)界面早前報道，目前，我國主要的商業(yè)核聚變公司包括陜西星環(huán)聚能科技有限公司(以下簡稱星環(huán)聚能)、上海能量奇點能源科技有限公司、安徽聚變新能有限公司、成都瀚海聚能科技有限公司和新奧集團等。這些公司正通過裝置建設(shè)突破和融資信息進入大眾視野。

“聚變發(fā)展停滯的根本原因，并非技術(shù)瓶頸，而是社會需求的缺失。”清華大學(xué)長聘副教授，星環(huán)聚能創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家譚熠在論壇現(xiàn)場作《聚變能：從“永遠五十年”到十年可期》演講時對比了一組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)聚變投資與油價波動呈現(xiàn)高度相關(guān)。在石油危機頻發(fā)的20世紀70～80年代，聚變研發(fā)迎來高潮;而90年代后油價走低，聚變投入也隨之冷卻。

在譚熠看來，從20世紀50年代至2000年，聚變能的能量守恒、氚自持等關(guān)鍵指標的增長速度甚至超過摩爾定律，理論上本應(yīng)在千禧年前后實現(xiàn)商用。然而，隨著如TFTR(托卡馬克聚變實驗反應(yīng)堆)、JET(歐洲聯(lián)合環(huán)，全球最大的核聚變實驗裝置之一)等國際大科學(xué)裝置的陸續(xù)關(guān)閉，聚變研發(fā)進入“橫盤期”，社會投入驟減，導(dǎo)致“聚變永遠還要50年”成為公眾刻板印象。

“現(xiàn)在，這一局面正在發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。2020年以來，盡管油價未出現(xiàn)大幅上漲，全球聚變投資卻逆勢飆升。社會對綠色能源的迫切需求是推動聚變研發(fā)加速的根本動力。”譚熠進一步介紹，當(dāng)前，不僅國際大科學(xué)項目如ITER持續(xù)推進，更有眾多創(chuàng)新企業(yè)通過不同技術(shù)路徑積極探索商業(yè)化落地可能。一批高性能托卡馬克裝置如HL-3 DT、BEST、SPARC、和龍-2、星環(huán)一號等將于2027–2030年間密集建成運行，標志著聚變能源正式進入高速迭代與工程驗證的新階段。

“所有孩子都是在肌肉未強、平衡未穩(wěn)時就開始學(xué)走路。聚變也一樣，我們要在迭代中解決問題，在建設(shè)中積累經(jīng)驗。”譚熠以“孩童學(xué)步”打起了比方，呼吁聚變?nèi)藨?yīng)勇敢邁出實踐步伐，他堅信，通過快速迭代，十年內(nèi)實現(xiàn)聚變能源的示范應(yīng)用將成為可能。正如托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇(Lev Artsimovich)曾表示，當(dāng)整個社會都需要的時候，聚變就會實現(xiàn)。

公開信息顯示，目前，星環(huán)聚能正致力于通過球形托卡馬克重復(fù)重聯(lián)聚變路線，加速聚變能源的商業(yè)化進程。此外，據(jù)媒體報道，中國聚變公司將按照試驗堆—示范堆—商用堆的核能發(fā)展一般規(guī)律，瞄準2050年聚變能源商用目標，在上海、成都兩地聯(lián)動研發(fā)。