人類“終極能源”：可控核聚變

（本文發表于2024年第1期）

> 可控核聚變想象概念圖 視覺中國 / 供

第一作者簡介吳西順，副研究員，研究方向為戰略性礦產資源，中國地質調查局“期刊百篇優秀論文”獲得者，中國知網“高PCSI論文、高被引論文、高下載論文”作者，其多篇論文獲核心期刊“年度優秀論文”。

通信作者簡介王登紅，二級研究員，中國地質科學院礦產資源研究所所長，戰略性新興產業礦產調查工程首席科學家，《中國礦產地質志》總主編，李四光地質科學獎獲得者。主持項目達40余項，提出并創新鋰礦、稀土礦等“三稀”礦產成礦理論，研發系列創新技術，在四川甲基卡、廣東大寶山、江西九龍腦等地取得十幾處找礦新突破；主編《中國礦產地質志》10余卷，填補我國礦產資源領域大型專業志書空白。獲國家科技進步獎二等獎1項，省部級獎一等獎5項、二等獎1項，中國地質學會十大科技進展2項，以及侯德封獎等多個獎項。公開發表論文500余篇，出版專著35部，培養碩/博士研究生40余名。其所帶領的團隊入選自然資源部高層次科技創新人才工程科技創新團隊。

能源，是人類的永恒話題，從鉆木取火、水車風車、挖煤燒炭到蒸汽機、內燃機、火車、汽車，再到飛機、火箭，都離不開能源的驅動。從煤炭、石油等傳統化石能源到太陽能、風能、海洋能、地熱能、核能等新能源，能源利用的形式越來越豐富多樣，也越來越高效環保。20世紀40年代，為追求更高的能量效率和更環保的能源方式，人們開始研究可控核聚變。如今，可控核聚變被譽為人類“終極能源”之解決方案。就在第28屆聯合國氣候變化大會召開的前幾周，國際原子能機構總干事拉斐爾·馬里亞諾·格羅西在談到核聚變時說：“這是第一次，所有的拼圖都齊備了：物理學、政策驅動力和投資。”那么，可控核聚變為人類造福的新時代真的到來了嗎?

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“終極能源”：核聚變

在核聚變發電的社會，人們可以實現真正的“電力自由”，不再有限電的擔憂。

萬物生長靠太陽，而地球只接收到太陽能量的二十二億分之一就生長出萬物，那么，太陽的能量有多大呢?太陽內部每秒聚變6.2億噸的氫，產生的功率高達38×1026瓦，比最大的氫彈大18億倍。太陽直徑是地球的109倍，質量是地球的33萬倍，巨大的引力把氫原子拉向溫度接近1500萬攝氏度的太陽內部，由此產生的高溫高壓導致氫核持續聚變生成氦，同時釋放出巨大能量。

聚變與裂變同屬于核反應，其過程均產生巨大的核能，但有本質不同。一個較重的鈾原子受中子轟擊會裂變為鋇和氪兩個原子，同時釋放大量能量和三個新的中子，新的中子又激發其他鈾原子發生裂變，從而發生鏈式核反應，這就是核裂變。今天，科學家已發現多種核裂變方式，但鈾裂變還是最常見的，如原子彈和核電站。

核裂變存在風險，如核污染等，而核聚變則沒有這種風險，其產物氦是自然界中廣泛分布的惰性氣體，無色、無味、無輻射。核聚變是與核裂變相反的過程，它是把小原子聚合成大原子。例如，氫是宇宙中最小的原子，它有三種同位素氕（H）、氘（D）、氚（T）。氘原子和氚原子在一定條件下發生聚合，會產生一個氦原子和一個中子，并釋放更多能量。氫彈就屬于這一類型，而且能量比原子彈要大很多。可見，核聚變不但能量比核裂變大，而且沒有核輻射的危險，是模仿恒星機制的一種清潔綠色終極能源。

雖然氫彈利用的是無污染的核聚變，但它是爆炸式核能武器，破壞性的爆炸能量無法維系長期的日常生產生活供電需求，要想和平利用核能，還需要研發可控核聚變，人們稱之為“人造太陽”。

> 核裂變與核聚變示意圖

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“人造太陽”：可控核聚變

太陽之所以能長期發生核聚變，是因為其存在著巨大的引力場，同時太陽的核心還有著近1500萬攝氏度的高溫。“人造太陽”不可能制造如此高溫高壓的巨大引力場，于是人們主要采用磁約束和慣性約束來解決“人造太陽”的相關問題。

> 托卡馬克磁約束示意圖

磁約束，是利用磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的超高溫等離子體約束在有限空間內，讓核聚變反應發生并釋放能量。由于在核聚變高溫下沒有任何材料時固態的，俄國科學家于1968年首先提出用“托卡馬克（Tokamak）”方法來約束核聚變。托卡馬克是俄語中“磁場”“環形”“真空室”三個詞詞頭的組合。這種磁約束的形狀就像一個“甜甜圈”，用無形的磁場將等離子體束縛住而持續反應。托卡馬克技術較為成熟，如位于英國的JET裝置于2021年12月生產了5秒內持續提供59兆焦耳的能量。除了托卡馬克，仿星器、磁鏡、球形環、緊湊環、環箍縮等采用的也是磁約束方法。

> 慣性約束聚變示意圖

慣性約束，是利用外殼的慣性限制聚變規模，通過內爆對熱核燃料進行壓縮，使其達到高溫高密度條件，進而實現熱核點火并燃燒，其中最有名的是用激光作為驅動源的慣性約束。2023年7月30日，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室宣布國家點火裝置（NIF）取得新突破，就是采用“激光慣性約束”制造的，耗資35億美元。

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國外研發進展

截至2022年年底，全世界約130個國有或私營聚變實驗堆中有90個在運行，12個在建，28個在計劃中。科研經費不足是當今制約核聚變研究的最大問題。例如，近70年里，美國研究經費平均每年僅5億美元。英國政府將在2027年前共投資6.5億英鎊支持核聚變研究，德國未來五年將投資超過10億歐元用于核聚變開發。盡管如此，經費仍然不足。然而，科學家們用如此少的資源卻取得了如此大的成就，實屬不易。從前，核聚變研究主要由國家機構或國際政府合作來主導。2021年以來，鑒于核聚變的快速發展，私人資本開始加速進入小型商用托卡馬克領域。

國際空前大合作開展國際熱核聚變實驗。位于法國南部的ITER是世界最大的核聚變堆，由35個國家合作建造，重2.3萬噸，100多萬個部件。這次國際大合作的程度是人類史上前所未有的，如歐盟和俄羅斯等制造偏濾器和真空室，中國等建造磁體饋線（Feeders）和極向線圈（PF coils），美國制造ITER的“心臟”中心螺管（Central Solenoid，CS），日本等制造超環線圈（Toroidal Field Coils），印度制造最重的低溫恒溫器（Cyrostat），韓國制造熱防護（Thermal Shield），等等。

歐盟最早攻克磁約束技術，領頭開發各種裝置。1984年，歐洲多國共同合作建成了歐洲聯合環狀反應堆（Joint European Torus，JET）。除此之外，歐洲多國也掌握托卡馬克技術，包括德國的ASDEXU、意大利的FTU、英國的MAST、法國的WEST，等等。

美國兼顧兩種技術，其中，慣性約束獲重大突破。勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室2009年啟動國家點火裝置（NIF），最初是為了通過模擬核爆炸測試核武器，后來被用于慣性約束研究。192束1053納米、長度僅幾納秒的紅外激光脈沖，被轉換成351納米的紫外線聚焦在燃料球上。燃料球是一個鉛筆橡皮大小的金罐，裝有胡椒粒大小的燃料艙。金罐被加熱到幾百萬攝氏度后發出X射線，使燃料艙的鉆石殼融化蒸發，燃料內爆壓縮并加熱艙中的氘和氚，實現核聚變。2016年10月，麻省理工學院的阿爾卡特（Alcator）C-Mod創造了磁約束等離子體高壓的世界紀錄，首次超過2個大氣壓，每秒發生300萬億次聚變反應。2019年11月，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的等離子體線性實驗（PLX），結合了磁約束和慣性約束兩種主流方法的優勢，提升了生產效率。

日本曾長期處于世界可控核聚變前列。1985年建成的大型托卡馬克JT-60U創造的5.22億攝氏度聚變溫度至今保持著世界最高溫紀錄，直到2021年8月8日，被美國國家點火裝置打破。世界最先進的激光聚變器之一Gekko-XII和最大的螺旋磁約束仿星器也在日本。超導托卡馬克JT-60SA與歐洲聚變能組織（F4E）合作開發，該裝置高16米，可將等離子體加熱到2億攝氏度并維持約100秒，2023年10月實現了首次等離子體實驗第一階段目標。

> 托卡馬克真空容器內部 視覺中國 / 供

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我國研究進展

我國對可控核聚變的研究后來居上，發展穩健，并屢創新高。

在磁約束方面，中國科學院合肥等離子體物理研究所的“東方超環”EAST和中核工業西南物理研究院的環流器二號HL-2M都很先進。“東方超環”于2006年正式建成，是我國自行研制的國際首個全超導裝置，近年來屢次創下世界紀錄。2021年5月，“東方超環”成功在1.2億攝氏度下運行101秒。2023年4月12日，EAST又成功實現高功率穩定403秒穩態長脈沖高約束運行。我國新一代“人造太陽”屢獲突破性進展，“環流二號”2022年等離子體電流突破1兆安培，“環流三號”則次年刷新持續時間403秒，并與ITER簽署協議面向全球開放。

在慣性約束方面，神光二號是我國2002年成功研制的大型激光裝置，建在中國科學院上海光學精密機械研究所。上百臺光學設備集成在一個足球場大小的空間內，可在十億分之一秒的超短瞬間內發射出相當于全球電網電力總和數倍的強大功率，釋放出極端高溫高壓。技術路線與NIF類似。

2021年，中國聚變工程實驗堆（CFETR）立項，計劃在2035年開始開展大規模科學實驗，在2050年建設聚變商用示范堆。國內小型初創公司，如能量奇點公司的“洪荒70”高溫超導裝置，于2022年2月完成首輪融資近4億元人民幣，主要用于經天磁體和奇門系統研發。清華大學核能所的衍生公司——星環聚能在2022年6月也完成數億元天使輪融資，用于小型化、商業化、快速迭代裝置的設計、建設、運行和研發，其SUNIST-2球形托卡馬克建成并獲得了第一批等離子體。

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礦產資源與

“人造太陽第一壁”

礦產資源在“人造太陽”研發中不可或缺，有些甚至是關鍵材料。例如，核聚變反應堆包層材料要加入鋰，以便中子與鋰反應產生新的氚核。這一步至關重要，因為每次氘氚反應都會消耗一個氚核，如果不利用這個機會補充氚核，反應堆燃料很快就會耗盡。因此，氚增殖劑的主要材料是鋰，包括鋰陶瓷、純鋰或液態金屬含鋰共晶體材料。

聚變反應是以高速中子的形式產生大部分能量，由于中子不帶電荷無法被磁場約束，它不僅可以穿越磁場，還可以穿過反應堆壁。因此，反應堆壁必須裹上多層“厚毯子”來吸收中子，并將其能量轉化為熱能，如冷卻劑里有液態金屬、水和氦氣，而中子倍增劑材料則是含鈹或鋼的化合物，等等。我國科學家最近利用鈹金屬自主研發制造出“人造太陽第一壁”，經過特殊處理的高純度鈹直接面對反應堆幾億攝氏度的高溫，向外依次為銅合金和不銹鋼材料，均采用特殊的工藝共同構成隔熱防護結構。

由此可見，金屬礦產特制的核聚變反應堆包層材料，不但可以增殖氚以供燃料循環，還可以把中子能量轉化為熱能形式輸出，以及屏蔽保護磁體線圈和外圍環境。

> “人造太陽”20年內對金屬礦產的需求量

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“能源自由”在路上

可控核聚變的商業化應用前景非常廣闊，目前各國政府加快實驗研究，商業資本快速推進落地，新時代加速到來，工業應用越來越近。終極能源革命愿景即將呈現，新能源更環保、高效、便捷。實現“能源自由”不再遙不可及，家家戶戶能源充足，氣候不再人為變暖，星際旅行能量滿滿。

人工智能和超導應用都將助力核聚變新能源事業，“人造太陽”將使人類命運更加光明和美好，詩和遠方，藍天白云，碧水綠茵，重塑人們的美好家園。

科學家的智慧加上全社會的力量將敦促這一切早日變成現實。正如托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇（Lev Artsimovich）所說：“當整個社會都需要的時候，聚變就會實現。”新時代將加速到來，實現“能源自由”的科技革命正在路上。

作者： 吳西順 王登紅

編輯： 張佳楠

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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