打破“聚变永远还要50年”
作者／ IT时报记者 孙永会
编辑／ 郝俊慧 孙妍
能源是人类文明存续与发展的“生命线”。从农耕时代依赖的人力、畜力，到工业革命后驱动蒸汽机的煤炭、“点亮”城市的石油与天然气，每一次能源形态的升级，都直接推动着生产力跃迁与社会变革。
然而，随着社会的发展和文明的进步，能源的需求量越来越大。当前人类依赖的能源体系正面临严峻挑战，例如太阳能、风能等可再生能源受昼夜、天气影响存在间歇性短板，传统核能又面临核废料处理的难题。为了追求更清洁、更持久和更高效的能源方式，核聚变进入世界科技人的研究视野。
历经数十年的发展，核聚变研究进展到哪一步？又面临哪些挑战？距离应用还有多远？《IT时报》记者在近日举办的2025年浦江创新论坛“未来能源：可控核聚变”专题论坛上，试图寻找答案。
人造太阳，正在照进现实
可控核聚变有“人造太阳”之称，被誉为能源领域的“终极梦想”。它模拟太阳发光发热原理，主要以海水里丰富的氘和氚为原料，在极端高温高压下，控制核聚变反应的速度和规模，使轻原子核结合成较重原子核，从而释放出巨大能量。此外，由于聚变反应的产物是无放射性的惰性气体氦，几乎不产生污染。
核工业西南物理研究院聚变科学所副总工程师、研究员冯开明早前发布的一篇研究论文里有这样一组数据：太阳每秒将6.57亿吨氢聚变成氦，亏损的质量转化成巨大的太阳能，成为支持太阳系内一切活动的能量源泉。氘－氚聚变反应将释放巨大的能量，一升海水中含30mg氘，通过聚变反应可释放出的能量相当于300多升汽油燃烧释放的能量，而反应产物是无放射性的。换种说法就是，1L海水可产生相当于300L汽油的能量。
“核聚变能源具有安全、燃料丰富、能量效率高等优点。”在ITER（国际热核聚变实验堆）国际组织副干事罗德隆看来，核聚变的安全性很高，一旦发生事故，都会使聚变反应即刻中止，而且不会出现像裂变反应那样的长期发热与大规模放射性泄漏风险，产物半衰期远短于裂变废料。
显而易见的是，“人造太阳”正逐渐照进现实。
“实现可控核聚变的技术路线主要有三种，可分为磁约束、惯性约束、磁惯性约束三类。”今年7月22日挂牌成立的中国聚变能源有限公司（以下简称中国聚变公司），是中核集团的二级单位，代管核工业西南物理研究院，被媒体称为核聚变“国家队”。据总经理张立波现场介绍，磁约束技术的主流装置是一种名为“托卡马克”的环形容器，惯性约束技术的核心部件是激光驱动器。
业内的共识是，磁约束技术是核聚变研究中最为接近成功的方案。中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的“东方超环”EAST和中核工业西南物理研究院的环流器二号HL-2M成为代表。以2006年正式建成的“东方超环”为例，它是我国自行研制的国际首个全超导装置，2021年5月成功在1.2亿摄氏度下运行了101秒。
中国聚变公司亦采用磁约束技术，其装置是采用高温超导材料的紧凑型磁约束聚变装置。过去，托卡马克装置采用低温超导材料，聚变堆的体积非常大。与之相比，高温超导材料具有高临界温度、高临界磁场、高载流能力等优势，可将聚变堆的体积缩小到传统聚变堆的几十分之一，使聚变能源的商用进程大幅提速。
前景广阔，挑战重重
在全球能源转型与“双碳”目标的驱动下，中国科学家们上演了一场现实版的“夸父逐日”，托卡马克的环形磁场和惯性约束的激光束流交汇，推动聚变技术从跟跑到并跑的质变。
技术复杂性，国际合作中的资金问题……核聚变的原理极其复杂，仅仅达到高温还不足以实现核聚变的实际应用，行业依旧面临不少挑战。因此，从业者们自嘲，核聚变的实现永远“还要50年”。
“目前聚变研发主要面临三大核心难题：一是燃烧等离子体的稳态自持运行，二是材料在高热与高能中子环境下的性能维持，三是氚的循环与自持。”复旦大学核科学与技术系教授许敏作主旨演讲时如是说。
张立波亦现场介绍了中国聚变公司面临的挑战，一方面是由燃烧等离子体稳态自持运行、耐高能中子轰击和高热负荷材料，以及氚增殖与自持循环带来的技术难题；另一方面是强场高温超导磁体、等离子体运行与控制、热量传导形成的工程难题。
聚变能源十年可期？
欣慰的是，一批中国商业核聚变企业正在崛起，走到核聚变行业的“台前”。
据界面早前报道，目前，我国主要的商业核聚变公司包括陕西星环聚能科技有限公司（以下简称星环聚能）、上海能量奇点能源科技有限公司、安徽聚变新能有限公司、成都瀚海聚能科技有限公司和新奥集团等。这些公司正通过装置建设突破和融资信息进入大众视野。
“聚变发展停滞的根本原因，并非技术瓶颈，而是社会需求的缺失。”清华大学长聘副教授，星环聚能创始人兼首席科学家谭熠在论坛现场作《聚变能：从“永远五十年”到十年可期》演讲时对比了一组数据，发现聚变投资与油价波动呈现高度相关。在石油危机频发的20世纪70～80年代，聚变研发迎来高潮；而90年代后油价走低，聚变投入也随之冷却。
在谭熠看来，从20世纪50年代至2000年，聚变能的能量守恒、氚自持等关键指标的增长速度甚至超过摩尔定律，理论上本应在千禧年前后实现商用。然而，随着如TFTR（托卡马克聚变实验反应堆）、JET（欧洲联合环，全球最大的核聚变实验装置之一）等国际大科学装置的陆续关闭，聚变研发进入“横盘期”，社会投入骤减，导致“聚变永远还要50年”成为公众刻板印象。
“现在，这一局面正在发生根本性转变。2020年以来，尽管油价未出现大幅上涨，全球聚变投资却逆势飙升。社会对绿色能源的迫切需求是推动聚变研发加速的根本动力。”谭熠进一步介绍，当前，不仅国际大科学项目如ITER持续推进，更有众多创新企业通过不同技术路径积极探索商业化落地可能。一批高性能托卡马克装置如HL-3 DT、BEST、SPARC、和龙-2、星环一号等将于2027–2030年间密集建成运行，标志着聚变能源正式进入高速迭代与工程验证的新阶段。
“所有孩子都是在肌肉未强、平衡未稳时就开始学走路。聚变也一样，我们要在迭代中解决问题，在建设中积累经验。”谭熠以“孩童学步”打起了比方，呼吁聚变人应勇敢迈出实践步伐，他坚信，通过快速迭代，十年内实现聚变能源的示范应用将成为可能。正如托卡马克之父列夫·阿齐莫维奇（Lev Artsimovich）曾表示，当整个社会都需要的时候，聚变就会实现。
公开信息显示，目前，星环聚能正致力于通过球形托卡马克重复重联聚变路线，加速聚变能源的商业化进程。此外，据媒体报道，中国聚变公司将按照试验堆—示范堆—商用堆的核能发展一般规律，瞄准2050年聚变能源商用目标，在上海、成都两地联动研发。
排版／ 季嘉颖
图片／ 浦江论坛
来源／《IT时报》公众号vittimes