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“人造太阳”，指日可待？
2025-03-12 12:03:00 来源： 海南日报 【字体： 大 中 小】打印

2025-03-12 12:03:00

《中国新闻周刊》作者：周游 发于2025.2.24总第1176期《中国新闻周刊》杂志 今年1月，“一剑一堆”成为国内硬科技界的开年热词。 “一剑”是指强流直线等离子体装置“赤霄”，由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所(以下简称“等离子体所”)研制。1月14日，“赤霄”全面建成并投入运行，为核聚变装置材料研发打通了“任督二脉”。不到一周后，位于合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)，也就是“一堆”所指的聚变实验堆，实现了1亿摄氏度1066秒稳定运行，刷新世界纪录。 有“人造太阳”之称的托卡马克装置，旨在模拟太阳产生能量的原理，在地球上实现可控核聚变，从而产生大量清洁能源。近年来，国内核聚变研究从基础科研逐步迈向工程实践，除了“国家队”的大科学装置外，核聚变企业也带着各种小巧灵动的自研装置“加入战场”，国内商业核聚变领域规模初具。 去年7月，聚变行业协会FIA发布《2024年全球聚变行业报告》，调研了全球最重要的45家核聚变商业企业。35家受访回复的企业中，最乐观的3家认为2030年前其可以实现聚变电力上网。国内企业星环聚能是受访企业之一，其创始人、CEO陈锐向《中国新闻周刊》表示，2030年左右，至少会有一些商业聚变公司能够制造出聚变示范电站。 可控核聚变，真要来了？ 长15.5米、重约22.5吨，“赤霄”的流线型结构让它看上去仿佛一把横卧的宝剑。它得名于中国古代十大名剑之一的赤霄剑，当核聚变燃料，也就是等离子体的辉光在内部亮起时，它将成为一把实打实的“光剑”。可控聚变装置的本质是“烧开水”，将聚变燃料加热到极高的温度，以实现聚变反应。 “赤霄”内部每平方米每秒可极速喷射1024个粒子，能够模拟出与聚变堆内部极为相似的环境，从而破解核聚变装置材料研发的难题。等离子体所研究员、聚变堆材料及部件研究室主任周海山向《中国新闻周刊》介绍，未来核聚变堆主要以氢同位素也就是氘、氚作为燃料，因为氘、氚是自然界最容易发生聚变的粒子。“赤霄”使用的是氢同位素和氦，旨在尽可能模拟真实的聚变。 中国科学技术大学核科学技术学院教授孙玄向《中国新闻周刊》解释，要保持聚变堆稳定运行，聚变装置的壁材料问题很棘手。聚变燃料的粒子流强度很高，会轰击装置壁，尤其是直接与等离子体接触的“第一壁”。壁材料需忍受强粒子流轰击，不发生融化、溅射等。 因此，第一壁的性能直接关系到聚变反应堆能否长期稳定运行。在孙玄看来，等离子体与壁材料的相互作用过程很复杂，可能出现难以控制的爆发事件。以前壁材料需要承受的粒子流大概是每平方米1兆瓦，现在接近10兆瓦，如果出现短时爆发事件，可能会更高。目前，尚未发现可以长时间忍受这一轰击强度的材料，“赤霄”未来的任务十分艰巨。 周海山表示，“赤霄”通过验收后，中国成为继荷兰之后第二个拥有此类装置的国家，而“赤霄”的综合性能已做到国际领先。内部测试时，“赤霄”在喷射1024个粒子的情况下，可连续运行24小时，远超设计的1000秒。此外，“赤霄”约束粒子流的磁场能力拔群，最高中心磁场强度达3特斯拉。“赤霄”也是一个开放设施，“利来国际(中国区)最老牌官网欢迎国内外同行使用‘赤霄’做研究、出成果”。 “赤霄”是国家“十三五”重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统”(CRAFT)的一项关键设施。CRAFT的使命是为中国聚变工程实验堆，也就是“人造太阳”搭建综合性研究平台。周海山介绍，CRAFT相当于把聚变堆的所有关键部件进行拆解，作为独立任务逐一攻破。“赤霄”专攻壁材料问题，其他技术平台专攻加热、超导磁场等技术，这样的技术平台共有十余个。 “赤霄”的研制成功向最终的托卡马克装置迈出了重要一步。孙玄解释，托卡马克是目前最主流的聚变技术路线，其源于苏联，在俄语中是一个组合词，由“环形”“真空室”“磁场”“线圈”四个词各取一部分拼凑而成。这也囊括了托卡马克的主要构成，其装置的中央是一个环形真空室，外面缠绕着线圈，像个甜甜圈，在通电时内部会产生强磁�。渲械牡壤胱犹寮尤鹊骄郾浞从λ璧奈露�。 由于聚变资源丰富且无污染，可控核聚变一直被认为是人类解决能源问题的“终极能源”。实现可控核聚变的判断标准是Q值，也就是装置输出能量与输入能量之比。如果输出能量超出输入，即Q>1，理论上核聚变就可能开始为人类发电了。 2022年，美国国家点火装置(NIF)首次成功“点火”，通过惯性约束的方式输出3.15兆焦耳能量，为输入能量的1.5倍。但一位不愿具名的国内核聚变企业科学家对《中国新闻周刊》表示，如果算上激光器等装置的能量损耗，NIF还远未真正实现Q>1。设计出一种有能量收益的聚变反应，并不意味着聚变发电能立马落地。 在孙玄看来，Q>1只是最基本的条件。聚变追求的是自持燃烧，也就是不需要任何输入功率的稳定、长时间能量输出，如同太阳一样。最理想的情况应该是Q等于无穷大，而当下离这个目标还有很长距离。业内人士认为，这也是“赤霄”这样的突破真正的价值所在。利用实验数据，科学家们可以更快地确定适宜的工程路径，从而加速聚变反应堆的研发进程。 目前，仍有“数座大山”横亘在利来国际(中国区)最老牌官网与真正的聚变反应堆之间。 陈锐认为，核聚变的主要难点集中在工程执行上。首先，氘氚聚变通常需要1亿摄氏度的高温，是太阳核心温度的7倍，这对装置材料和制造工艺提出极高要求。另外，在如此极端的条件下约束高温等离子体并不容易。 “目前最需要解决等离子体稳态和自持燃烧问题。”孙玄说。全球暂时还没有能够长时间燃烧的聚变堆，许多潜在问题可能尚未浮现。比如燃料问题，如果走氘氚聚变路线，由于氚在自然界不存在，需要人工制�。绾尾�、如何在反应中实现氚的循环使用都是问题。另外，由于氚也用于制造核武器，国家管控非常严格，商业化或难实现。 如果用具体参数来衡量，核聚变最重要的是实现一定的等离子体密度、温度和能量约束时间。“任何聚变团队都需要根据自身技术路径，明确三个参数的数值。”孙玄指出，目前亟待突破的就是能量约束时间，时间越长突破难度越大，这正是EAST专攻的领域。 自2006年建成运行以来，合肥科学岛上的EAST已屡破纪录。其等离子体运行次数超15万次，在这一领域的工程物理上持续保持国际领先。在长脉冲、高级别能量约束的模式下，EAST先后跨越60秒、100秒、400秒大关，并于今年实现1066秒的稳定运行。 高级别的能量约束模式因其效率高、经济性强，是未来聚变实验堆和工程堆稳定运行的基本模式。孙玄认为，EAST刷新自身纪录意味着聚变工程运行模式的转变。早期的托卡马克只能间歇性地输出能量。如果要实现24小时不间断运行，最主要的方法是维持和延长等离子体电流。EAST通过各种加热手段实现了维持等离子体一定时间内的稳态，“这些都是了不起的结果”。 2022年3月，美国能源部召开了以“聚变能源商业化十年愿景”为主题的白宫峰会，列出了当年5项重要聚变进展，EAST当时已经实现了400秒高级别能量约束模式下的放电，位列其中。此外，还包括NIF的点火等。 然而，不是所有聚变装置都能顺利完成任务。国际上最著名的托卡马克装置当属落址法国的国际热核聚变实验堆(ITER)。该项目于2006年启动，成员包括欧盟、美国、中国等7方，耗资已超过200亿美元。ITER原计划2016年建成运行，去年，ITER管理层对外宣布，该装置要到2034年才能首次投入运行，而氘、氚聚变的首次实验要等到2039年。 ITER也采用了任务拆解的方案，将装置各部分“外包”给成员国或者组织进行生产。ITER在拉丁语中意为“路”，其最初设计便是验证聚变堆各环节的可行性，是一个“铺路”项目。在孙玄看来，ITER可能是人类科研历史上最大的国际合作项目，与国际空间站类似。这种超大科学工程面临的挑战也十分复杂，无法在设计时就预测所有技术困难。 由于建造周期较长，ITER会遭遇各种不可控的事件，例如，由于是多国共建项目，ITER长期存在资金协调问题，受国家间政策影响很大。孙玄认为，如果ITER能够根据国家的能力水平分配任务，而不是根据贡献金额，其任务进程可能会更合理。此外，EAST等装置的科研成果都与ITER的最终成功密切相关，国际上许多聚变实验装置都将ITER的目标作为“支线任务”，业内仍希望看到这一国际项目能够最终成功。 “由于工程量大、任务复杂，各个国家操持的聚变项目要完整实现其目标，很可能要再等数十年。”孙玄说，“但可以肯定的是，利来国际(中国区)最老牌官网已经站在了向聚变示范堆进发的起跑线上。” 可控核聚变领域，有一个颇为有意思的“50年定律”，即在任何历史节点，提起可控核聚变实现的时间，永远都是“未来50年”。在20世纪五六十年代，氢弹的成功爆炸让人们对于可控核聚变的实现充满信心。但人们很快意识到，可控核聚变理论成功，工程化困难，突破性进展很少。久而久之，“50年定律”深入人心。 但商业核聚变未必如此。ITER频繁“跳票”之后，资本市场也开始瞄准各国国内的聚变初创企业。在陈锐眼中，2018年是聚变发展的元年，得益于技术与材料的显著进步，特别是高温超导材料和AI技术的突破性进展。聚变能源的实现路径如今更加清晰和可行。 据FIA报告，到2023年，全球聚变行业融资规模达62亿美元，其中超过半数都来自2021年中期之后。整体融资中仅2.7亿美元来自政府公共资金，其余均来自私营部门。 最激进的美国聚变企业当属Helion公司。该公司成立于2013年，投资人包括OpenAICEO山姆·奥特曼。2024年底，奥特曼向媒体透露，Helion将很快演示净能量增益核聚变。微软公司已与Helion签订对赌协议，希望在2028年采购由Helion提供的核聚变电力，功率不低于50兆瓦。这一数字虽小但意义重大，超过了美国头部风电场42兆瓦的年发电能力。许多业内人士表示，Helion若能兑现，将是“历史性时刻”。 Helion很少透露其技术路线和参数。孙玄2006年曾进入美国洛斯阿拉莫斯国家实验室工作，了解美国聚变技术的发展。他指出，Helion的技术基于美国深厚的场反位形(FRC)研究历史。FRC是有别于托卡马克的一种聚变路径，其聚变装置呈直线型。一般直线型装置中，粒子很容易沿直线逸散，但如果通过磁场反转，在装置内部形成封闭磁场结构，同样可以实现粒子约束。 环形托卡马克的粒子热流、壁材料、超导等问题，理论上FRC都可以规避，因此，这一路线近年来备受重视。孙玄表示，从公开资料来看，Helion已关注到了FRC会导致的等离子体约束和不稳定问题，基于FRC的聚变能量转换“有很大的可能性成功”。陈锐对Helion的激进方案持审慎乐观态度，认为在缺乏更多公开信息的情况下，还需拭目以待。 无论成功与否，技术路线的拓展是聚变商业化的显著贡献。当托卡马克遇到诸多工程困境，企业又需要紧凑的聚变装置快速实现成果转化时，自然会通过探索更多理论获得相似的结果。例如，Helion瞄准的是氘、氦-3聚变。月球上有大量的氦-3储备，可以解决燃料来源问题。FRC可能是最适合非氘、氚聚变的一种技术路线，因此被Helion采纳。 业内人士认为，核聚变反应所需的电力成本，以及装置研发、制造与维护成本都不低，如何在推动技术突破的同时实现经济效益，也是“人造太阳”真正实现应用的难点。孙玄指出，国外许多企业开始利用技术生产副产品，例如制作放射性的医疗同位素等。国内企业如何“沿途下蛋”实现成果转化仍值得探讨。等离子体相关技术还可以用于目前核裂变电站的核废料处理。 “聚变是国家的重大战略需求，在它实现之前，投入规模只会越来越大。”孙玄说。2023年11月，国务院国有资产监督管理委员会明确提出，可控核聚变是未来能源发展的重要方向，鼓励更多企业加入发展可控核聚变事业。“商业化和市场化之后，肯定会有头部效应。但聚变市场非常庞大，可以容纳足够多的企业共同竞争。” 从星环聚能的时间表来看，其已迈出了商业化的第一步。2023年7月，其与清华大学联手建设了初步验证装置SUNIST-2。接下来，星环聚能将打造下一代技术验证装置CTRFR-1，旨在彻底验证可控聚变的工程可行性，预计在2028年左右达成。此后，星环聚能将着手建设商业化聚变示范堆CTRFR-2，在2028年底开始建设，3—5年内完成。 孙玄则更乐观一点。他也是聚变企业星能玄光的创始人，他预计，星能玄光能够在5年内实现聚变电力的产出。“企业很少选择和‘国家队’完全一样的技术路线，企业间的技术区分度也很大，这有利于管控风险，从不同角度逼近商业化的答案。” 《中国新闻周刊》2025年第6期

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