中能觀察丨競合之下，終極能源漸行漸近
來源：中國能源新聞網(wǎng) 時間：2025-10-21 14:50
中國能源新聞網(wǎng)記者 王睿佳
當我們仰望群星，那璀璨的光芒實則來源于恒星內(nèi)部巨大的核聚變反應(yīng)，以每秒數(shù)億噸氫元素聚變的速度，釋放著驚人能量。
自人類意識到這一點，便夢想著在地球上復(fù)制恒星的能量?？煽睾司圩儽蛔u為能源領(lǐng)域的“圣杯”，它能夠提供幾乎無限的清潔能源，解決人類面臨的能源危機和環(huán)境問題。
7月下旬，中國聚變能源有限公司（以下簡稱“中國聚變公司”）在上海正式揭牌成立。今年以來，核聚變相關(guān)概念在資本市場上持續(xù)受到關(guān)注，已有多家上市企業(yè)宣布進軍核聚變產(chǎn)業(yè)鏈?？煽睾司圩兊哪_步聲正越來越清晰。
清華大學(xué)工程物理系副教授譚熠更是認為，可控核聚變不用再等50年，未來幾年，會有新的聚變裝置產(chǎn)生的重要成果出現(xiàn)。
究竟什么是可控核聚變？可控核聚變技術(shù)何時能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化？也許，我們離實現(xiàn)“人造太陽”的夢想并沒有多遠。
可控核聚變?yōu)槭裁磦涫荜P(guān)注？
核能包括裂變能和聚變能兩種主要形式。
裂變能已被人類熟練掌握并在全球范圍內(nèi)的核電站實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。核聚變是指兩個較輕的原子核結(jié)合形成一個較重的原子核的過程，在這個過程中會有少量質(zhì)量損失，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc2（E表示能量，m代表質(zhì)量，而c則表示光速），這些損失的質(zhì)量會轉(zhuǎn)化為巨大能量。
與核裂變相比，可控核聚變技術(shù)在資源可持續(xù)性、環(huán)境友好性和安全性方面具有顯著優(yōu)勢。據(jù)估算，一升海水中所含的氘燃料在聚變過程中釋放的能量，約等同于300升汽油的燃燒熱值；在廢物處理層面，聚變產(chǎn)生的放射性物質(zhì)半衰期較短（通常僅為數(shù)十年），遠低于核裂變產(chǎn)生的長效級放射性廢料；此外，聚變反應(yīng)具備固有安全性——一旦反應(yīng)條件不滿足，過程便會自動終止，從根本上避免了堆芯熔毀或爆炸等重大事故風險。
“可控核聚變被稱作‘終極清潔能源’，其通過反應(yīng)自限性、低放廢料特性、多重工程屏障等實現(xiàn)本質(zhì)安全，風險水平顯著低于核裂變和化石能源?！敝袊娏こ填檰柤瘓F華東電力設(shè)計院副總工程師姜震表示，目前理論和試驗均已證明，核聚變技術(shù)能確?！敖愫藦U料”和可控輻射。
目前最有希望實現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氘和氚的反應(yīng)：氘可以從海水中提取，而氚可以通過鋰再生。理論上，一克氘氚燃料可以產(chǎn)生相當于8噸石油的能量。
實現(xiàn)可控核聚變需要滿足三大基本條件：極高的溫度（約1.5億攝氏度，是太陽核心溫度的10倍）、足夠的粒子密度、足夠的能量約束時間。這就是所謂的“勞森判據(jù)”——只有當聚變?nèi)剂系臏囟取⒚芏群图s束時間的乘積達到特定值時，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量才能超過輸入能量。
實現(xiàn)“勞森判據(jù)”是聚變能源研究的必由之路，標志著技術(shù)從實驗室研究向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)折。由此可見，實現(xiàn)可控核聚變的難度超乎尋常。
全球聚變計劃
國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）位于法國圣保羅—萊迪朗斯，被譽為“人造太陽”計劃，是目前國際上規(guī)模最大的可控核聚變合作實驗項目。
經(jīng)過數(shù)十年努力，ITER組織官網(wǎng)于4月30日宣布：這一由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國等30多個國家和地區(qū)參與建造的“人造太陽”，已完成其“電磁心臟”——世界最大、最強的脈沖超導(dǎo)電磁體系統(tǒng)的全部組件建造。該成果堪稱“里程碑式的成就”，標志著人類向?qū)崿F(xiàn)可控核聚變能源邁出關(guān)鍵一步。
ITER采用托卡馬克裝置，這是一種利用強大磁場約束高溫等離子體的環(huán)形容器。該系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時，先將2至3克氘氚混合氣體注入托卡馬克環(huán)形腔室，通電形成等離子體后，再用磁體構(gòu)建“無形的磁籠”加以控制；此后，外部加熱系統(tǒng)將等離子體溫度升高到1.5億攝氏度，粒子高速運動克服電荷斥力，發(fā)生聚變釋放巨大能量。
ITER的目標是證明聚變能的科學(xué)和技術(shù)可行性，計劃產(chǎn)生500兆瓦的聚變功率。盡管項目面臨多次延遲和預(yù)算超支，仍是人類在聚變道路上最重要的嘗試之一。
除了ITER，部分發(fā)達國家還有各自的聚變研究計劃。
2020年，英國宣布球形托卡馬克能源生產(chǎn)計劃，旨在2040年建成商業(yè)聚變電廠。
2022年，美國國家點火裝置首次實現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)的凈能量增益，標志著聚變研究邁出關(guān)鍵一步；2024年，該實驗再次刷新紀錄，輸出能量達到5.2兆焦耳，其能量增益因子約為2.5。
科技資本巨頭近年來也密集入場：OpenAI創(chuàng)始人Sam Altman于2021年投資核聚變初創(chuàng)公司Helion Energy，微軟更與該公司簽訂售電協(xié)議，計劃2028年采購至少50兆瓦的聚變電力；2025年2月，Helion Energy完成4.25億美元F輪融資，總估值達54億美元，創(chuàng)下聚變行業(yè)的融資紀錄。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球有超過30家聚變公司，它們探索各種創(chuàng)新方法，試圖更快、更經(jīng)濟地實現(xiàn)聚變發(fā)電。
中國速度
我國在核聚變領(lǐng)域雖起步較晚，但進展迅速，已成為國際聚變研究的重要力量。
我國的超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST位于中科院合肥等離子體物理研究所，自2006年首次放電以來，多次打破等離子體約束時間紀錄：2021年，EAST實現(xiàn)了1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒的等離子體運行；2025年1月，EAST再次獲重大突破——實現(xiàn)1億攝氏度下長達1066秒的高約束模式等離子體穩(wěn)態(tài)運行，創(chuàng)造了全球新紀錄。
中國環(huán)流三號（HL-3）是目前我國規(guī)模最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置，由中核集團核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計、建造和運行，裝置總高8.39米、直徑8米，等離子體離子溫度可達1.5億攝氏度。HL-3自2020年建成后，多次刷新我國可控核聚變裝置運行紀錄。
2023年12月，中核集團核工業(yè)西南物理研究院與ITER總部簽署協(xié)議，宣布HL-3作為ITER衛(wèi)星裝置面向全球開放。
與以往“仍需50年”或“至少30年”的謹慎預(yù)估相比，當前實驗成果與技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)更加積極的態(tài)勢，可控核聚變的落地時間正不斷被拉近。
中國聚變公司的成立，正是科研與政策合力推動下走出的關(guān)鍵一步。公司掛牌當天，中核集團、中國石油集團昆侖資本、國家綠色發(fā)展基金、浙江浙能電力等眾多實力企業(yè)共同簽署增資擴股協(xié)議，總投資額約114.9億元。能源巨頭入股，無疑彰顯出業(yè)內(nèi)對可控核聚變發(fā)展前景的信心。
“此前該領(lǐng)域主要停留在實驗室研究階段，如今有了實體化運營的公司作為支撐。”廈門大學(xué)中國能源政策研究院院長林伯強認為，通過整合中核集團及多家能源企業(yè)的資源，不僅有助于實現(xiàn)技術(shù)互補，還能形成更雄厚的資本基礎(chǔ)，為整個核聚變產(chǎn)業(yè)鏈注入新動能。
此外，一些民營企業(yè)也在積極布局。其中，陜西星環(huán)聚能以商業(yè)化可控聚變能開發(fā)為核心業(yè)務(wù)，聚焦球形托卡馬克技術(shù)路線。據(jù)了解，該公司在2022年6月獲得順為資本、中科創(chuàng)星等機構(gòu)數(shù)億元天使輪融資，2024年3月再獲數(shù)億元Pre-A輪融資，資金用于實驗裝置研發(fā)及核心團隊建設(shè)。
我們還有多遠？
對于“我們離可控核聚變還有多遠”，學(xué)界有不同看法：樂觀者認為2030—2040年可實現(xiàn)示范發(fā)電，保守者則認為可能需要到2050年甚至更晚。
據(jù)悉，ITER計劃于2025年進行首次等離子體放電，2035年開始氘氚燃燒實驗。如果成功，將為示范堆（DEMO）鋪平道路——DEMO的目標是證明聚變發(fā)電的技術(shù)和經(jīng)濟可行性，預(yù)計在2040—2050年間建設(shè)。
早在2016年，在深度參與ITER項目、積累豐富大科學(xué)工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國提出建設(shè)新一代聚變工程實驗裝置——中國聚變工程實驗堆（CFETR）的重要戰(zhàn)略規(guī)劃。該裝置不僅在工程規(guī)模上，更在核心參數(shù)指標上超越ITER。
根據(jù)計劃，CRAFT項目預(yù)計于2025年底在安徽合肥完成全部建設(shè)任務(wù)。建成后，它將成為具有全球領(lǐng)先參數(shù)與完整功能的研發(fā)與測試一體化綜合平臺，為我國聚變示范堆工程的推進提供關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備支撐。
值得注意的是，聚變研究已經(jīng)進入公私并行時代。一些民營企業(yè)嘗試采用創(chuàng)新方法縮短時間線，雖然這些時間表可能過于樂觀，但私有資本的參與確實加速了技術(shù)創(chuàng)新。
在譚熠看來，當前“國家隊”和民企有著不同的技術(shù)路線、管理方式和資金來源，可形成良好互補；此外，許多新公司入局，大量資金與人才涌入，為行業(yè)未來留足了發(fā)展動能。他分析，三大因素推動聚變行業(yè)升溫。
“首先是需求牽引，氣候變化讓我們不得不去尋求化石燃料以外的能源方案，但現(xiàn)有核電站受條件限制，無法滿足當前占比60%的化石燃料所貢獻的電力需求，聚變則可填補這一空缺?！?/span>
其次，AI的蓬勃興起使電力需求激增，且技術(shù)進步讓聚變堆成本更低、周期縮短，吸引更多風險投資入場。
最后，“新公司涌入是好事?！弊T熠認為，盡管新玩家的技術(shù)路線“五花八門”，但多一種嘗試，人類實現(xiàn)聚變能的可能性就大一分；更重要的是，行業(yè)競爭推高了人才待遇，如今聚變領(lǐng)域的博士工資也非常具有吸引力。
盡管前景誘人，實現(xiàn)可控核聚變也仍面臨挑戰(zhàn)。
中核集團核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所所長鐘武律認為，在眾多技術(shù)途徑中，托卡馬克被認為有望率先實現(xiàn)聚變能源應(yīng)用，但前路依舊充滿挑戰(zhàn)——要實現(xiàn)堆芯等離子體“穩(wěn)態(tài)自持燃燒”目標，還需解決等離子體非感應(yīng)電流驅(qū)動、加料與排灰、等離子體與材料相互作用等問題。
此外，即便科學(xué)上可行，聚變能還需與其他能源競爭，降低建設(shè)成本和運營維護費用，也是商業(yè)化必須面對的挑戰(zhàn)。
譚熠坦言，現(xiàn)階段按傳統(tǒng)大托卡馬克路線，一個百萬千瓦級的電站造價可能達上千億元，算上5%的利息，度電成本降不下來，“至少要1塊多”。
可控核聚變是人類科學(xué)技術(shù)面臨的最宏大挑戰(zhàn)之一，雖然道路漫長，但每一步進展，都代表著人類智慧的勝利。
當我們問“還有多遠”，答案不僅關(guān)乎時間，更離不開資源投入、國際合作與技術(shù)創(chuàng)新的持續(xù)積累。在化石能源日益枯竭、氣候變化威脅加劇的今天，追逐聚變夢想，不僅是對無限能源的渴望，更是對人類未來的責任。
責任編輯：閆弘旭
