“屬于未來”的聚變能，還要人類等多久？

文︱《中國報道》記者 李士萌

在春節檔熱映的電影《流浪地球2》中，人類計劃給地球安裝上萬座巨大的行星發動機，推動地球開啟“流浪之旅”，而為這一巨大機械提供動力的則是重核聚變。

“雖然電影中通過燒石頭推動核聚變的方案基本不可行，但人類如果要想走出地球，甚至完成星際旅行，地球上現有的石油、天然氣是不夠的，聚變能必不可少。”新奧能源研究院聚變技術研發中心聚變理論模擬首席科學家謝華生告訴《中國報道》記者，“聚變能屬于未來。”

1952年，世界上第一顆氫彈爆炸試驗成功后，就有預言稱5年內人類就可以實現可控核聚變。但直到去年12月，美國能源部下屬實驗室成功實現核聚變激光“點火”，這個預言時間仍為“小于五六十年”。“讓核聚變可控并商業化”，這一目標人類還需要等待多久？問題的答案似乎正隨著核聚變研究成果的累積而一點點清晰起來。

臨界突破

可控核聚變發展至今日，似乎到了技術突破的臨界點。

聚變反應是太陽內部每時每刻都在進行的反應。從理論上講，相比現有的大亞灣核電站等核裂變發電站，核聚變如能實現商業發電，其原料更為豐富，可從海水中獲取，并且因核聚變不產生長壽命的放射性廢物而更安全——而這正是現行核裂變核電站“令人頭疼”的一點。相比化學能，聚變能也更清潔、低碳、高效。

讓“太陽”變得可控并不容易，聚變能源每前進一點，都會發現新的困難。雖然道路曲折，但近5年一些資本正陸續入局核聚變。據美國聚變工業協會數據，截至2022年年底，核聚變公司報告的私人承諾投資總額超過47億美元。

謝華生分析，資本紛紛入局一方面是碳達峰碳中和目標使然，人類可持續發展需要新能源；另一方面，高溫超導磁體、人工智能等重點技術以及近些年的物理研究取得重大進步，讓投資人看到了核聚變技術突破的希望。

他指出，去年12月美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)國家點火設施(NIF)首次成功在可控核聚變反應中“點火”，做到產生的能量大于輸入的能量，實現了“凈能量增益”，對聚變研究具有重要的歷史意義。

“原來美國高層的研究報告都認為，NIF裝置不可能實現能量正增益，這個實驗結果出乎很多人的意料，這也讓很多對核聚變研究信心不足的人重新看到了希望，對中國的核聚變研究也是一種激勵。這說明一條技術路徑只要堅持下去，就可能會有意外的驚喜。”謝華生告訴《中國報道》記者。

聚變工業協會 (FIA) 2022年的最新報告顯示，企業對聚變商業化的時間表越來越有信心。在接受調查的公司中，有93%認為聚變將在2030年左右實現并網，高于2021年報告中的83%。

各國角力

中國的可控核聚變探索從21世紀初步伐加快。2006年，中國正式加入國際熱核聚變實驗反應堆項目（ITER）。該項目被稱為“世界上最大的核聚變項目”，在該項目中，除歐盟東道主外，其他成員國只需出資9%便可共享所有的知識產權。“這對中國來說是一個很好的機會。”謝華生說。同年，被譽為“人造太陽”的東方超環（EAST）正式建成，成為我國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置。

2021年4月13日，中科院合肥物質科學研究院的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。

由于涉及多國合作、項目規模巨大，ITER一直進展緩慢，但中國核聚變探索卻在飛速前進。“在加入ITER項目的十幾年里，中國是增長最快的力量，已經從跟跑、并跑，逐步進入領跑階段。”謝華生介紹，在單點技術上，中國甚至做到了國際領先。例如，2021年12月30日，EAST實現了1056秒超脈沖高參數等離子體運行。

總體而言，中國在國際主流的慣性約束和磁約束核聚變裝置方面均有布局。在慣性約束技術路徑上，主要由中國工程物理研究院（九院）進行實驗探索。不過謝華生指出，由于慣性約束屬脈沖式發電，很難實現穩態放電，以此技術路徑實現商業發電的可能性很低。

去年，美國便是通過慣性約束成功實現“點火”，但在192束巨型激光轟擊下，聚變的原子核不過釋放出3.15兆焦耳的能量。“3兆焦耳約為一度電，現在的電價不超過2元一度，也就是說數萬美金起步的一次轟擊最后可能只能賣不到2元，并且激光射出一炮后，設備還需要清理和重新安裝聚變靶丸才能進行下一次實驗，單次發電的性價比太低。”謝華生說。因而，能夠實現準穩態、連續運行的磁約束，成為主流的聚變能源裝置選擇，托卡馬克裝置是其中代表。

一位核聚變領域的投資人士告訴《中國報道》記者，現在可控核聚變綜合技術實力最強的是美國，特別是在激光慣性約束領域。由國際原子能機構（IAEA）統計的截至2021年的133個全球聚變裝置分布中，排名第一的是美國，其次是日本、俄羅斯和中國。

核心矛盾難突破

謝華生認為，目前要想在可控核聚變上實現突破，最需要解決的核心矛盾不是各個約束方案，而是核聚變反應本身無法在科學可行、工程可行和商業可行之間取得平衡。

他指出，目前從物理科學層面最容易發生反應的是氘—氚聚變，但該方案在工程和商業層面很難實現。氚的資源有限，主要從裂變堆中產生，年產量約幾千克到幾十千克，如此產量即便一個規模稍大的聚變電站也維持不了，并且氚的半衰期短，具有一定放射性。反應后的產物能量大都由極高能的中子攜帶，這些中子很容易打壞裝置，且暫沒有適合的材料進行防護。

其他的反應方案也尚有諸多短板，如氘—氦- 3依然存在原料問題，氦- 3在地球上的儲量有限，價格昂貴；氘—氘聚變雖原料充足，但同樣存在反應產物高能中子會把裝置打壞的問題；氫—硼- 11聚變在商業化方面比較理想，原料充足，唯一的缺點是反應發生的物理要求太高。

謝華生認為，想要打破僵局，需要從工程和物理兩個層面同時著手，一方面是提高工程技術水平，另一方面要把物理約束做到極致。

雖然仍面臨諸多困難，但受訪者對核聚變的未來均保持樂觀。前述核聚變領域的投資人士告訴《中國報道》記者，未來，可控聚變能的實現方式不止一種。除了大型的聚變電站之外，還有一些小型化、低成本方案會有很大的發展空間，例如一些磁鏡、場反位形等線性裝置。

謝華生在參加核聚變國際會議時觀察到，國外的參會者大多五六十歲，而中國更多的是年輕人。某高校的核聚變領域博士生也告訴《中國報道》記者，在選擇專業時，核聚變相對于核專業的其他方向更受歡迎。

“中國核聚變追趕世界前沿的勢頭非常猛，但原始創新能力仍需加強，未來是否有可能提出一個全新的聚變方案，實現彎道超車或者引領世界，值得期待。”謝華生表示。