可控核聚變究竟是個(gè)啥？

編者按：7月22日，中國聚變能源有限公司在上海掛牌成立。今年以來，核聚變概念在資本市場逐漸升溫，已有多家上市公司宣布布局核聚變能源產(chǎn)業(yè)鏈。更有院士公開表示，預(yù)計(jì)5年內(nèi)點(diǎn)亮第一盞“核聚變燈”。究竟什么是“可控核聚變”？為什么它被稱為“人造太陽”？可控核聚變技術(shù)何時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化？

想象一下，如果我們能在地球上重現(xiàn)太陽的能量產(chǎn)生方式，那會(huì)是什么場景？這就是科學(xué)家們正在攻關(guān)的“可控核聚變”。簡單來說，就是讓氫的同位素（氘和氚）在極端高溫高壓環(huán)境下發(fā)生核聚變反應(yīng)，同時(shí)確保整個(gè)過程安全可控。

之所以被稱為“人造太陽”，是因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)原理與太陽發(fā)光發(fā)熱的本質(zhì)如出一轍。在太陽核心，1500萬攝氏度的高溫讓氫原子不斷碰撞聚變，釋放出巨大能量。

核聚變釋放的能量遠(yuǎn)高于化學(xué)反應(yīng)。單次核聚變反應(yīng)釋放的能量約為化學(xué)反應(yīng)的10?至10?倍（百萬至千萬倍）。因此，核聚變的功率遠(yuǎn)大于化學(xué)燃燒，但其實(shí)現(xiàn)難度也更高。

人類如果能掌握這項(xiàng)技術(shù)，就相當(dāng)于在地球上建造了一個(gè)微型太陽，為人類提供近乎無限的清潔能源。

核聚變與核裂變：能源技術(shù)的代際差異

核聚變與核裂變是兩種不同的核反應(yīng)形式。目前核電站主要采用核裂變技術(shù)，其燃料通常選用自然界中最重的元素——鈾。在天然鈾礦中，僅有約0.7%的鈾-235可用于核裂變反應(yīng)，因此需要通過濃縮工藝提高其濃度。鈾-235在受到低能中子轟擊時(shí)會(huì)發(fā)生裂變，分裂為兩個(gè)或多個(gè)較輕的原子核，同時(shí)釋放出大量能量。

核裂變反應(yīng)的控制主要通過中子吸收和燃料棒插入深度的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)控方式使得核裂變技術(shù)能夠穩(wěn)定應(yīng)用于核電站、核動(dòng)力航母及核潛艇等能源系統(tǒng)。

這種方式雖然已經(jīng)相對成熟，但也存在明顯局限：需要開采有限的鈾礦資源，會(huì)產(chǎn)生長半衰期放射性廢物，還存在核泄漏的安全隱患。

核聚變與核裂變在反應(yīng)機(jī)制和實(shí)現(xiàn)方式上存在本質(zhì)差異。核聚變首先需要使用數(shù)億度的高溫來引發(fā)燃料反應(yīng)，并依靠聚變產(chǎn)生的α粒子維持該溫度以實(shí)現(xiàn)持續(xù)燃燒。由于聚變反應(yīng)所需溫度極高（遠(yuǎn)超常規(guī)材料的承受極限），目前主要采用磁約束方式實(shí)現(xiàn)可控聚變。其核心在于通過磁場控制等離子體空間分布，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的穩(wěn)定維持。

目前，全球可控核聚變研究呈現(xiàn)多元化技術(shù)路線并行的格局。從核心要素來看，主要可從兩個(gè)維度進(jìn)行分類：

從燃料維度來看，可分為氘氚（D-T）聚變和氫硼（p-B11）聚變。

從約束方式維度來看，一種是磁約束路線，即利用強(qiáng)大的超導(dǎo)磁場將高溫等離子體約束在環(huán)形裝置中，包括中國的“東方超環(huán)”EAST裝置、BEST裝置、中國環(huán)流三號(hào)（HL-3）、新奧玄龍-50U等，美國的SPARC項(xiàng)目，歐洲的ITER（國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）都采用這種方式；另一種是慣性約束路線，通過高能激光瞬間轟擊燃料靶丸引發(fā)聚變，美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）就是典型代表。

與核裂變技術(shù)相比，可控核聚變技術(shù)展現(xiàn)出革命性優(yōu)勢：它的燃料氘可以直接從海水中提取，一升海水中的氘通過聚變反應(yīng)釋放的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油；產(chǎn)生的廢料半衰期僅幾十年，遠(yuǎn)低于核裂變的數(shù)萬年；更重要的是，聚變反應(yīng)一旦出現(xiàn)異常就會(huì)自動(dòng)停止，不存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

從實(shí)驗(yàn)突破到商業(yè)化展望

近年來，可控核聚變研究領(lǐng)域取得顯著突破。2022年，美國NIF首次實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)的凈能量增益。2024年，該實(shí)驗(yàn)再創(chuàng)紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)5.2兆焦耳能量輸出（Q值≈2.5）。

今年1月，中國的EAST裝置創(chuàng)下了新的全球紀(jì)錄，首次實(shí)現(xiàn)了1億攝氏度1066秒的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模式等離子體運(yùn)行。與過去“還需50年”或“30年”的保守預(yù)期相比，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)證據(jù)和技術(shù)進(jìn)展已展現(xiàn)出更樂觀的前景?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)可控核聚變的時(shí)間窗口可能縮短。若結(jié)合人工智能等新興技術(shù)，這一進(jìn)程還可能進(jìn)一步加快。

目前，多數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置為避免核污染影響設(shè)備性能，尚未使用聚變?nèi)剂线\(yùn)行。但未來5年內(nèi)，我國緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置BEST計(jì)劃開展氘氚聚變實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)聚變能發(fā)電演示。這將成為一個(gè)重要里程碑，根據(jù)現(xiàn)有參數(shù)預(yù)估，一旦使用氘氚燃料，聚變功率將足以點(diǎn)亮第一盞“核聚變燈”。

不過，要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，科學(xué)家們還需要攻克更多難關(guān)，我們還需要保持耐心。樂觀估計(jì)，我們可能在2030年前看到示范堆建成，2040—2050年間實(shí)現(xiàn)首座商用核聚變電站并網(wǎng)，但要大規(guī)模推廣可能還要等到2060年以后。

可控核聚變承載著人類對清潔能源的終極夢想。雖然完全商業(yè)化可能還需要幾十年的時(shí)間，但每一次技術(shù)突破都在縮短這個(gè)距離。中國的科研團(tuán)隊(duì)正在這一領(lǐng)域奮勇爭先，BEST裝置的開工建設(shè)標(biāo)志著我們又邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

對于普通投資者來說，既要對這項(xiàng)技術(shù)保持關(guān)注，也要理性看待市場的聲音。或許在不遠(yuǎn)的將來，我們能夠見證“人造太陽”走入人類生活。

（本文作者系西安交通大學(xué)物理學(xué)院教授，本刊記者謝瑋采訪整理）

編輯：鄭雪 zhengxue@ceweekly.cn

美編：孫珍蘭