今年1月，“一劍一堆”成為國內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科學研究院等離子體所（以下簡稱“等離子體所”）研製。1月14日，“赤霄”全面建成並投入運行，為核聚變裝置材料研發打通了“任督二脈”。不到一周後，位於合肥的全超導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，實現了1億攝氏度1066秒穩定運行，刷新世界紀錄。
圖片由豆包ai生成 提示詞：可控核聚變
有“人造太陽”之稱的托卡馬克裝置，旨在模擬太陽產生能量的原理，在地球上實現可控核聚變，從而產生大量清潔能源。近年來，國內核聚變研究從基礎科研逐步邁向工程實踐，除了“國家隊”的大科學裝置外，核聚變企業也帶着各種小巧靈動的自研裝置“加入戰場”，國內商業核聚變領域規模初具。
去年7月，聚變行業協會fia發布《2024年全球聚變行業報告》，調研了全球最重要的45家核聚變商業企業。35家受訪回復的企業中，最樂觀的3家認為2030年前其可以實現聚變電力上網。國內企業星環聚能是受訪企業之一，其創始人、ceo陳銳向《中國新聞周刊》表示，2030年左右，至少會有一些商業聚變公司能夠製造出聚變示範電站。
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”的流線型結構讓它看上去彷彿一把橫卧的寶劍。它得名於中國古代十大名劍之一的赤霄劍，當核聚變燃料，也就是等離子體的輝光在內部亮起時，它將成為一把實打實的“光劍”。可控聚變裝置的本質是“燒開水”，將聚變燃料加熱到極高的溫度，以實現聚變反應。
“赤霄”內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部極為相似的環境，從而破解核聚變裝置材料研發的難題。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生聚變的粒子。“赤霄”使用的是氫同位素和氦，旨在儘可能模擬真實的聚變。
中國科學技術大學核科學技術學院教授孫玄向《中國新聞周刊》解釋，要保持聚變堆穩定運行，聚變裝置的壁材料問題很棘手。聚變燃料的粒子流強度很高，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，不發生融化、濺射等。
因此，第一壁的性能直接關係到聚變反應堆能否長期穩定運行。在孫玄看來，等離子體與壁材料的相互作用過程很複雜，可能出現難以控制的爆發事件。以前壁材料需要承受的粒子流大概是每平方米1兆瓦，現在接近10兆瓦，如果出現短時爆發事件，可能會更高。目前，尚未發現可以長時間忍受這一轟擊強度的材料，“赤霄”未來的任務十分艱巨。
周海山表示，“赤霄”通過驗收後，中國成為繼荷蘭之後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先。內部測試時，“赤霄”在噴射1024個粒子的情況下，可連續運行24小時，遠超設計的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。“赤霄”也是一個開放設施，“我們歡迎國內外同行使用‘赤霄’做研究、出成果”。
“赤霄”是國家“十三五”重大科技基礎設施“聚變堆主機關鍵系統”（craft）的一項關鍵設施。craft的使命是為中國聚變工程實驗堆，也就是“人造太陽”搭建綜合性研究平台。周海山介紹，craft相當於把聚變堆的所有關鍵部件進行拆解，作為獨立任務逐一攻破。“赤霄”專攻壁材料問題，其他技術平台專攻加熱、超導磁場等技術，這樣的技術平台共有十餘個。
位於合肥的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（east）。圖/視覺中國
“赤霄”的研製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路線，其源於蘇聯，在俄語中是一個組合詞，由“環形”“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成，其裝置的中央是一個環形真空室，外面纏繞着線圈，像個甜甜圈，在通電時內部會產生強磁場，將其中的等離子體加熱到聚變反應所需的溫度。
由於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。但一位不願具名的國內核聚變企業科學家對《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q>1。設計出一種有能量收益的聚變反應，並不意味着聚變發電能立馬落地。
在孫玄看來，q>1隻是最基本的條件。聚變追求的是自持燃燒，也就是不需要任何輸入功率的穩定、長時間能量輸出，如同太陽一樣。最理想的情況應該是q等於無窮大，而當下離這個目標還有很長距離。業內人士認為，這也是“赤霄”這樣的突破真正的價值所在。利用實驗數據，科學家們可以更快地確定適宜的工程路徑，從而加速聚變反應堆的研發進程。
托卡馬克之困
目前，仍有“數座大山”橫亘在我們與真正的聚變反應堆之間。
陳銳認為，核聚變的主要難點集中在工程執行上。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，這對裝置材料和製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並不容易。
“目前最需要解決等離子體穩態和自持燃燒問題。”孫玄說。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。比如燃料問題，如果走氘氚聚變路線，由於氚在自然界不存在，需要人工製取，如何產氚、如何在反應中實現氚的循環使用都是問題。另外，由於氚也用於製造核武器，國家管控非常嚴格，商業化或難實現。
如果用具體參數來衡量，核聚變最重要的是實現一定的等離子體密度、溫度和能量約束時間。“任何聚變團隊都需要根據自身技術路徑，明確三個參數的數值。”孫玄指出，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超15萬次，在這一領域的工程物理上持續保持國際領先。在長脈衝、高級別能量約束的模式下，east先後跨越60秒、100秒、400秒大關，並於今年實現1066秒的穩定運行。
高級別的能量約束模式因其效率高、經濟性強，是未來聚變實驗堆和工程堆穩定運行的基本模式。孫玄認為，east刷新自身紀錄意味着聚變工程運行模式的轉變。早期的托卡馬克只能間歇性地輸出能量。如果要實現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了維持等離子體一定時間內的穩態，“這些都是了不起的結果”。
2022年3月，美國能源部召開了以“聚變能源商業化十年願景”為主題的白宮峰會，列出了當年5項重要聚變進展，east當時已經實現了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。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）。該項目於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也採用了任務拆解的方案，將裝置各部分“外包”給成員國或者組織進行生產。iter在拉丁語中意為“路”，其最初設計便是驗證聚變堆各環節的可行性，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也十分複雜，無法在設計時就預測所有技術困難。
由於建造周期較長，iter會遭遇各種不可控的事件，例如，由於是多國共建項目，iter長期存在資金協調問題，受國家間政策影響很大。孫玄認為，如果iter能夠根據國家的能力水平分配任務，而不是根據貢獻金額，其任務進程可能會更合理。此外，east等裝置的科研成果都與iter的最終成功密切相關，國際上許多聚變實驗裝置都將iter的目標作為“支線任務”，業內仍希望看到這一國際項目能夠最終成功。
“由於工程量大、任務複雜，各個國家操持的聚變項目要完整實現其目標，很可能要再等數十年。”孫玄說，“但可以肯定的是，我們已經站在了向聚變示範堆進發的起跑線上。”
商業核聚變提速
可控核聚變領域，有一個頗為有意思的“50年定律”，即在任何歷史節點，提起可控核聚變實現的時間，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於可控核聚變的實現充滿信心。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。
但商業核聚變未必如此。iter頻繁“跳票”之後，資本市場也開始瞄準各國國內的聚變初創企業。在陳銳眼中，2018年是聚變發展的元年，得益於技術與材料的顯著進步，特別是高溫超導材料和ai技術的突破性進展。聚變能源的實現路徑如今更加清晰和可行。
據fia報告，到2023年，全球聚變行業融資規模達62億美元，其中超過半數都來自2021年中期之後。整體融資中僅2.7億美元來自政府公共資金，其餘均來自私營部門。
最激進的美國聚變企業當屬helion公司。該公司成立於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簽訂對賭協議，希望在2028年採購由helion提供的核聚變電力，功率不低於50兆瓦。這一數字雖小但意義重大，超過了美國頭部風電場42兆瓦的年發電能力。許多業內人士表示，helion若能兌現，將是“歷史性時刻”。
helion很少透露其技術路線和參數。孫玄2006年曾進入美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室工作，了解美國聚變技術的發展。他指出，helion的技術基於美國深厚的場反位形（frc）研究歷史。frc是有別於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，在裝置內部形成封閉磁場結構，同樣可以實現粒子約束。
環形托卡馬克的粒子熱流、壁材料、超導等問題，理論上frc都可以規避，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已關注到了frc會導致的等離子體約束和不穩定問題，基於frc的聚變能量轉換“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，技術路線的拓展是聚變商業化的顯著貢獻。當托卡馬克遇到諸多工程困境，企業又需要緊湊的聚變裝置快速實現成果轉化時，自然會通過探索更多理論獲得相似的結果。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、氚聚變的一種技術路線，因此被helion採納。
業內人士認為，核聚變反應所需的電力成本，以及裝置研發、製造與維護成本都不低，如何在推動技術突破的同時實現經濟效益，也是“人造太陽”真正實現應用的難點。孫玄指出，國外許多企業開始利用技術生產副產品，例如製作放射性的醫療同位素等。國內企業如何“沿途下蛋”實現成果轉化仍值得探討。等離子體相關技術還可以用於目前核裂變電站的核廢料處理。
“聚變是國家的重大戰略需求，在它實現之前，投入規模只會越來越大。”孫玄說。2023年11月，國務院國有資產監督管理委員會明確提出，可控核聚變是未來能源發展的重要方向，鼓勵更多企業加入發展可控核聚變事業。“商業化和市場化之後，肯定會有頭部效應。但聚變市場非常龐大，可以容納足夠多的企業共同競爭。”
從星環聚能的時間表來看，其已邁出了商業化的第一步。2023年7月，其與清華大學聯手建設了初步驗證裝置sunist-2，能夠將等離子體加熱至1700萬攝氏度。接下來，星環聚能將打造下一代技術驗證裝置ctrfr-1，旨在徹底驗證可控聚變的工程可行性，預計在2028年左右達成。此後，星環聚能將着手建設商業化聚變示範堆ctrfr-2，在2028年底開始建設，3—5年內完成。
孫玄則更樂觀一點。他也是聚變企業星能玄光的創始人，他預計，星能玄光能夠在5年內實現聚變電力的產出。“企業很少選擇和‘國家隊’完全一樣的技術路線，企業間的技術區分度也很大，這有利於管控風險，從不同角度逼近商業化的答案。”
發於2025.2.24總第1176期《中國新聞周刊》雜誌
雜誌標題：“人造太陽”，指日可待？
作者：周遊（[email protected])
編輯：杜瑋
