现在的可控核聚变，还有“永远的50年”这个魔咒吗？

 

中国聚变能源有限公司于7月22日在上海正式成立，标志着国家可控核聚变工程化与商业化战略进入新阶段。从国家战略上来说，该公司的成立标志着以国家意志为主导的投资三步走规划正式成型：短期强化半导体与AI领域，中期以雅江水电站等超级工程推动基建升级，远期则押注可控核聚变的能源革命争夺科技主导权。

 

现在可控核聚变主要分为磁约束和惯性约束两类，最具有代表性的包括磁约束路线的托卡马克和仿星器以及惯性约束的激光聚变和Z-箍缩四条技术路线。两种约束方式的不同代表了可控核聚变在约束时间和密度之间的权衡。

 

其中托卡马克路线因工程成熟度最高成为全球主流，而在这个领域中国已经取得重大突破。“中国环流三号”装置于2025年实现原子核温度1.17亿摄氏度与电子温度1.6亿摄氏度的“双亿度”里程碑，距离“能量增益Q>1”的目标越来越近；“东方超环”装置首次完成1亿摄氏度1000秒“高质量燃烧”，创造新世界纪录。

 

相比之下，美国国家点火装置虽在2022年实现激光聚变点火实验，但四次实验只是其释放能量大于单次驱动的激光能量，但远小于整个系统的消耗电能。而且激光可控核聚变路线在原理上更侧重军事应用，同时在低成本生产点火靶丸和激光高频驱动上面临挑战，商业化路线不如托卡马克明晰。

 

尽管宣传重点不同，中美在各技术路线均有布局。中美对于不同技术路线态度上的温差其中部分原因来自稀土。中国拥有稀土资源优势，未来有望在全高温超导托卡马克路线上实现领先，而美国部分企业近年来则更加侧重宣传不依赖高性能磁铁的惯性约束路线。

 

现在可控核聚变的商业化进程已挣脱“永远50年”魔咒。根据我国路线图，2035年将建成的聚变工程实验堆有望在建设完成初期实现100~200MW的聚变功率输出，在2050年前后并网供电。同时随着民间资本加速涌入，初创可控核聚变公司能量奇点有望在2027年建成，以“能量增益Q>10”为目标的，全高温超导托卡马克装置“洪荒-170”。人类终极能源革命曙光初现。

 

文/观察者网 唐晓甫

 

7月22日，中国聚变能源有限公司挂牌成立大会在沪举行。该公司由中核集团牵头组建，是其直属二级单位。中国聚变公司将作为推进我国聚变工程化、商业化的创新主体，重点布局总体设计、技术验证、数字化研发等业务，并建设技术研发平台和资本运作平台。自此，由中央牵头的中长期投资计划已经明确：

 

短期内，我国将延续自2014年6月开始布局的国家大基金路径，加速推进半导体产业发展，并进一步加强在半导体和AI领域的研究；中期，以雅江水电站为代表的中央政府主导的超级工程项目，将引导中国实现面向下一个五十年的基础设施升级需求；而远期，国家将继续大力投入以可控核聚变为代表的能源革命，让中国在未来的竞争中获得更大的科技竞争优势。

 

不少人可能会问，可控核聚变不是总说还有五十年吗？为什么我们如此急迫地关注可控核聚变？答案其实很简单，因为可控核聚变商用早已经脱离“永远还要五十年”的魔咒，可能会在十多年内就实现初步商用。现在谈可控核聚变和2000年初布局电动汽车技术类似，但唯一不同的是，一旦走通了这条路，以可控核聚变带来的能源、材料学和动力革命，该产业的潜在收益将远超电动汽车。

 

可控核聚变不止于托卡马克一条路线

 

大多数朋友听说过可控核聚变，但对于可控核聚变的具体路线可能知之甚少。简单来说，可控核聚变主要分为两条路线：惯性约束与磁约束。

 

 

四种可控核聚变路线，左上为托卡马克装置（中国环流三号）；右上为仿星器装置（Wendelstein 7-X）；左下为激光可控核聚变装置（国家点火装置）；右下为Z-箍缩装置（Z Pulsed Power Facility）

 

惯性约束的核心思想是利用激光或粒子束等方式在极短时间内，把微小燃料靶丸（通常是氘－氚混合物）压缩到极高的温度和密度，使其在自身惯性的“瞬间”达到聚变点火条件，从而发生聚变反应。在惯性可控核聚变的众多设想中，各国主要关注的可以分为两个不同的技术路线：激光可控核聚变和Z-箍缩（Z-Pinch）装置。

 

前者主要通过多束高能激光从各个方向同时照射一个微小的燃料靶丸（通常是氘－氚混合物），在极短时间内将其压缩到极高的温度和密度，从而实现核聚变“点火”。

 

这一路线的代表是美国在20世纪90年代就开始建造的“国家点火装置”（NIF），该装置曾在2022年首次实现“聚变点火”，引发全球关注和讨论。但当时舆论场的多数讨论忽略了一个基础事实：这次点火仅仅是输出能量超过输入到靶丸的能量，远远低于整个系统的总能耗（包括激光产生、制冷、转换等全系统输入能量）。

 

即便不考虑中子辐照、靶丸生产等一系列问题，仅就能量输出方面，激光可控核聚变路线距离真正实现持续可控核聚变也还很远。这方面，中国也一直在跟进研究，其中的代表就是“神光1、2、3”号。

 

第二条路线是Z-箍缩路线，一种利用强脉冲电流通过等离子体本身所产生的磁场，把等离子体束缚并径向压缩到高温高密状态，以实现核聚变的物理方法。这一路线的代表是美国桑迪亚国家实验室的Z Pulsed Power Facility、中国的聚龙一号等。

 

 

Z-箍缩技术原理

 

笔者曾在多年前见过中国的激光聚变和Z-箍缩装置，至今对它们记忆犹新。

 

相比于惯性约束，现在各国投入更多的是磁约束方式，磁约束又分托卡马克、仿星器、场反位形、磁镜等，其中托卡马克是主流方向。相比于惯性约束的短时间高温极高密度实现可控核聚变路线，磁约束是利用强大的磁场把高温等离子体（如氘、氚气体的等离子体）限制在空间内，使其在足够长时间内保持高温高密度，实现聚变反应。

 

从原理上来说，托卡马克路线和仿星器路线既有相似之处也有不同之处。相同之处在于，两者都是依靠强磁场把高温等离子体限制在环形空间内，实现可控核聚变。

 

但最显著的不同在于磁场。一般来说，磁约束可控核聚变的磁场可以分为环向和极向磁场，其中环向磁场在可控核聚变中负责主约束作用，是用于抑制高温等离子体在径向的扩散、保证聚变反应持续和稳定运行的物理核心。

 

在只有环向磁场时，带电粒子会（因曲率漂移和梯度漂移）整体产生垂直漂移，难以实现长期约束。所以需要加入极向磁场，让磁场线变成“螺旋结构”，使得等离子体粒子在三维空间中绕环做复杂运动，抑制粒子的垂直漂移和扩散，提高等离子体的稳定性和能量约束。

 

由于托卡马克几何外形更加简单，极向磁场主要由等离子体环向电流产生，外部极向场线圈用于形状与位置控制，而仿星器通过复杂三维几何设计的外部超导线圈直接产生所需的环向和极向磁场，几乎无需依赖感应等离子体电流，理论上可实现无感应电流的稳态运行。

 

 

 

托卡马克与仿星器 图片来源：IAEA

 

所以一般认为，尽管托卡马克路线目前很流行，但仿星器仍有可能在某一天成为未来聚变能电厂的选择。

 

惯性约束和磁约束究竟差距有多大。这里我们可以引入一个至关重要的概念，也就是聚变三乘积，从数据的角度直观感受不同路线之间的差别。所谓聚变三乘积就是衡量聚变系统是否能实现自持聚变反应（点火）和能量增益的基本判据，也就是等离子体中离子密度n（公式中密度的单位通常为每立方米粒子数）、温度T（单位为千电子伏特，1电子伏特约等于11605K）、能量约束时间τ（单位为秒）的乘积。只有当聚变三乘积达到或超过某一阈值时，聚变反应才能实现自持燃烧。

 

在此需要补充一点，那就是根据分子运动理论，理想气体中，每个粒子的平均动能与温度的关系是：

 

 

于是，我们可以将等离子体温度理解为等离子的平均动能代入聚变三乘积。在计算中，需要考虑到，两个粒子发生核反应的概率与粒子的动能高度相关，对于氘-氚（D-T）核反应来说，在14千电子伏特（keV）处反应概率最高（有效截面最大）。综合工程以及包括等离子体的能量损失机制在内的因素考虑，托卡马克的T的设计值大约在10–20keV之间，在宏观温标下约为亿开尔文级。

 

 

而当前激光聚变研究最关注的温度范围，则是3.5-6.5keV范围内，这一温度虽然低于10keV，但是同时也意味着两条路线之间在等离子宏观温度上没有显著的数量级差距。所以从工程角度看，磁约束和惯性约束两条技术路线的根本差别体现在密度n与能量约束时间τ之间的取舍。

 

 

惯性约束装置与磁约束装置对比 图片来源：“浅谈激光聚变”

 

现在磁约束路线的有效约束时间一般为秒至分钟量级，以理想状态等离子体温度为10keV（宏观约为1.1亿度）的D-T反应为例。当聚变反应产生的能量大于输入的能量（即Q>1），nτ≥10^20(s/m^3)，这使得n的数值需要达到至少接近每立方米10^20个粒子级别。

 

以激光可控核聚变路线为代表的惯性约束驱动源的脉宽长度只有十几个纳秒（10^-8秒），有效约束时间甚至为百皮秒量级（10^-10秒）。假定磁约束可控核聚变有效时间是我们当前时空尺度下的一分钟，然后假设有个人从惯性约束角度观察磁约束聚变，并把惯性约束的有效时间定义为“一秒”，那么在他的时空视角下，磁约束完成的时间是将达到近“2000年”。

 

短暂的约束时间使得惯性约束的密度n甚至需要达到每立方米10^31个粒子级别，才能达到实现聚变的门槛。而这一密度已经是正常固体的原子数密度的1000倍左右，要知道，固体密度和气体的密度差距大多也在1000倍这个数量级上。而且惯性约束过程中会因为辐射、压缩能量传递等多方面问题造成大量能量损失。这使得惯性约束路线实现Q>1所需要的nτ值≥10^22（s/m^3），相比于磁约束大两个数量级。

 

不同技术路线对不同参数的取舍其实并不令人意外，因为追根溯源，两者的研究初衷有本质不同。简单来说，磁约束聚变路线在其提出之初就几乎是完全民用，而惯性约束路线的提出与核武器研发关系更深，后文会有详细论述。

 

可控核聚变的难点

 

路线的不同使得可控核聚变不同路线在设计制造上的难点既有共性也有特性。仅就共性而言，所有可控核聚变路线和装置都面临一个问题，那就是第一壁材料应该如何选择。由于可控核聚变本身必然产生大量核辐射，而长时间的核辐射会对主体结构造成不可逆的破坏。为了减少乃至解决这一问题，可控核聚变都需要在主体结构（包括内壁）与核反应区之间设置一层用于减弱或屏蔽辐射的结构，也就是所谓第一壁。

 

第一壁是包围等离子体或聚变靶腔的最内层材料，它将在反应过程中首先承受聚变产物（主要是高能中子、X射线、α粒子等）轰击和加热。这意味着第一壁材料需要具备耐高温、抗辐照等性能。

 

一般来说，第一壁有几种潜在可行的技术路线：高熔点金属（如钨、钼、铬钢）：抗高温、抗辐照能力强，表面可涂覆纳米陶瓷层等材料以抵抗X射线。低活化合金、陶瓷复合材料：减缓中子活化、便于废料管理。流动液态壁技术（如液态锂）：可部分自修复损伤、带走表面能量，减小固体材料疲劳。多层复合结构设计：以兼顾/实现强度、热导率、辐射防护等多种功能。

 

虽然笔者尚不清楚不同技术路线对第一壁材料的具体偏好，但这是所有可控核聚变路线必须考虑的问题。

 

除了第一壁材料，每种可控核聚变路线都有自己的难点。以托卡马克为例，超高温等离子体内部的密度、温度、流速、组分在空间和时间上高度非均匀，这使得等离子体本身的不稳定会在外部磁场等作用下被进一步放大（出现如撕裂模、锁模、锯齿振荡、边界局域模等问题），导致磁场结构、能量和粒子约束能力突变，甚至直接引发“等离子体破裂”。

 

而这一问题与其基础设计直接相关：极向磁场需靠外部线圈进行形状控制和补偿。可以说，这个问题是从娘胎里带出来的。正因如此，等离子体控制成为限制托卡马克装置商业化的重要技术难点，也促使人们探索无需大电流驱动的仿星器路线。

 

但是仿星器的优势也是其劣势所在。相比于几何构型相对简单的托卡马克装置，仿星器磁场必须依靠高度非轴对称、复杂三维扭曲的外部线圈精确生成，设计计算极其复杂，对几何精度和制造误差极为敏感。

 

而且仿星器线圈体积庞大，形状各异，关键部位装配和定位精度要求达到毫米甚至微米级，否则磁面容易破坏，等离子体约束急剧恶化。此外由于完全靠内部等离子体形成极向磁场，对于等离子体内部的自举电流控制、杂质抑制和边界等离子体控制都有更高要求。

 

这使得仿星器现在不仅造价高昂，还在聚变三乘积等关键工程参数上也远远落后于托卡马克装置，在进度上落后于托卡马克装置路线。

 

而在惯性约束上，激光可控核聚变和Z-箍缩也有各自独特的难点。

 

抛开持续辐射损伤不谈，激光可控聚变的难点集中在激光与靶丸本身。众所周知，要实现商业发电，激光点火装置就需要高频高精度持续对靶丸进行点火，即使不考虑核辐射对相关器件的破坏力，单单实现几秒一次，甚至每秒几次对靶丸进行间断照射就是一个巨大的难题。

 

而且激光照射不仅涉及大功率照射问题，还涉及能量耦合与驱动效率问题。激光可控核聚变每次脉冲激光能量在兆焦耳量级，并分配到复数束激光进行同步照射，其中美国的NIF设计采用192束激光驱动，而中国神光三号实验装置采用了48束激光。

 

同时，需要说明的是，激光点火有三种驱动模式，直接驱动、间接驱动和混合驱动。在直接驱动激光聚变中，驱动靶丸内爆的源是激光。为一定程度上规避激光-等离子体相互作用的不利影响，驱动激光的强度要求控制在I=10^15 W/cm^2左右，光压为0.3×10^6个大气压。

 

 

激光直接驱动惯性约束聚变示意图 图片来源：“浅谈激光聚变”

 

在间接驱动激光聚变中，驱动靶丸内爆的源是由激光转换而来的X光，X光场的温度在300eV左右，辐射压为0.37×10^6大气压。光压或辐射压与聚变点火需要的氘氚等离子体压强相差很大，需要增压。

 

 

激光聚变间接驱动方式示意图 图片来源：“浅谈激光聚变”

 

而在混合驱动中，科学家会先用X光驱动靶丸，然后在X光驱动源主脉冲阶段叠加激光脉冲，以提高驱动压强，达到改善内爆性能的目的。

 

 

混合驱动激光聚变示意图 图片来源：“浅谈激光聚变”

 

三种路线中，直接驱动模式对于激光要求太高，因此以美国激光核聚变装置为代表的可控核聚变路线主要采用的是间接驱动模式（而且这对于很多国家来说可能更熟悉）。近年来，我国也在推进围绕混合驱动涉及的关键物理过程实验。根据一些论文透露的信息，我国应当已经基于神光激光装置开展了混合驱动激光聚变的验证实验，在混合增压效应等领域的研究已经得到了实验的定性支持。

 

回到现阶段的激光可控核聚变上，2022年12月13日，美国能源部宣布2022年12月5日NIF装置物理实验聚变放能大于驱动激光能量，实现热核聚变点火。此后，又有NIF装置的三次物理实验实现了聚变放能大于驱动激光能量。不少人对于此次可控核聚变实验有一定误读，认为是整体输入能量小于整体输出（Q>1），实则不然。

 

以2022年12月5日聚变点火实验为例，其物理结果是聚变放能3.15±0.16MJ，对应聚变中子数（聚变发生的次数）为1.1×10^18个，也就是发生聚变的氘氚质量为9µg（假定氘氚的核子数比1:1）。实验初始氘氚装量是0.22mg，则氘氚燃耗是4.1%左右。1公斤TNT炸药的放能为4.19MJ，聚变放能3.15MJ相当于750克TNT炸药的放能。只能说其释放能量大于单次驱动的激光能量，但远小于整个系统的消耗电能。

 

说回到激光核聚变的难点本身，也就是靶丸制造上。而用于点火的靶丸分为三层，其中烧蚀层位于最外层，传统上由碳氢化合物构成，作用是当激光照射时，外层材料迅速气化并向外膨胀，产生反冲力推动内层向内压缩。燃料层位于烧蚀层内，包含固态的氘氚冰，是聚变反应的燃料。中心填充气体在靶丸内部，通常填充有气态的氘氚燃料，为聚变反应提供初始燃料。而在靶丸外部还有一个专门的黑腔用于注入氦气以及提供间接驱动所需的X光。

 

 

激光点火靶丸示意图图片来源：“浅谈激光聚变”

 

 

美国人公布的2022年激光点火实验靶丸示意图 图片来源： "Achievement of target gain larger than unity in an inertial fusion experiment"

 

根据美方公布的论文和图片，2022年12月引发世界关注的实验中的靶丸相比于早年的设计又有所改进，四次实验的靶丸外部采用贫铀镀金的圆柱形黑腔封装；圆柱形黑腔的中心放置装填有氘氚的靶丸，靶丸由外向里的结构为：微晶金刚石组成的高密度碳、氘氚冰和氘氚气体。

 

但无论怎么改进，激光可控核聚变有两个天然难点。第一个是激光能量通过等离子体与燃料靶丸的实际耦合效率较低，大量能量损耗在外部等离子体、X射线预热等过程中，难以充分传递到燃料核心。根据《物理》2024年第5期上刊登的“浅谈激光聚变”一文测算：“靶丸吸收的X光能量是激光能量的15%左右，飞层动能又是这部分能量的15％左右，也就是说压力做功压缩的球壳材料和氘氚层的动能只有激光能量的2%左右。”

 

 

激光聚变间接驱动方式能量转换示意图图片来源：“浅谈激光聚变”

 

而只有在飞层向心运动，向心压缩形成高密度主燃料层，同时飞层的部分动能转化为芯部氘氚内能后，才能形成高温点火热斑，实现热核聚变点火和燃烧，放出聚变能。

 

第二个，这种点火方式对靶丸的几何对称性极为敏感，甚至可能会对表面粗糙度的要求达到微米级以下，远低于一根头发丝直径。在这一背景下，如何低成本批量制造靶丸亦是巨大难题。

 

最后我们谈谈Z-箍缩的难点，它的难点本身也就是它的特点。也即，如何控制向等离子体柱通入百万到千万安培级的脉冲电流，并保证等离子体的稳定性，使其不断裂，不扭曲膨胀乖乖地进行核反应。同时极高电流也会对功率源设计、绝缘体强度、电极寿命、触发系统精度等造成挑战。

 

等这一切解决完了之后，Z-箍缩还有一个问题需要解决，那就是如何从低频脉冲运行向高频连续点火转变。

 

综合看来，相比于更温和的磁约束，惯性约束的问题在于如何高频率稳定且相对低成本地输出电力。

 

中美技术线路真的有不同吗？

 

由于NIF在2022年那次的“点火”实验过于出圈，不少人以为中国主要采用的是托卡马克实现可控核聚变，而美国人主要采用激光点火路线实现可控核聚变，但这是不准确乃至错误的。

 

从现有情况看，我们基本可以认为，中美在所有技术路线及聚变－裂变混合堆领域都在进行技术尝试。

 

在磁约束核聚变方面，毫无疑问全球排名第一的方向就是托卡马克路线。无论是国际上最重要的示范堆ITER还是中国的东方超环（EAST）、中国环流三号（HL-3），抑或美国能源部支持、位于普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的国家球形托卡马克实验（NSTX/NSTX-U）和源于麻省理工学院的联邦聚变系统公司（CFS）均为托卡马克装置（磁约束聚变）。

 

从短期看，随着位于四川成都的新一代人造太阳HL-3在3月28日首次实现离子温度与电子温度均突破1亿摄氏度（其中离子温度1.17亿摄氏度、电子温度1.6亿摄氏度的参数水平），其有望在未来5年内以技术调整而非大规模升级的方式，在国内首次开展氘氚实验，实现可观的聚变功率输出。在未来中国国内的主流可控核聚变装置发展路径也会主要沿着托卡马克的发展路径推进。

 

而在我们谈论激光可控核聚变的时候，必须要考虑激光可控核聚变的军事背景。从前文的原理描述中，可以清晰察觉到，其设计之初就有极其浓厚的军事因素。

 

这是因为，虽然大国对于核反应以及核武器都有较深研究，但是相关研究的经验成分相当高，核反应过程具有高度模糊性。所以大国都希望可以通过可控核聚变更精确地还原聚变的每一个过程，以更加优化原有的核武器，尤其是氢弹的设计路线。

 

或者更直白地说，如果能彻底搞清楚激光可控核聚变，并将其工程化，其相关数据分析将极大地加速新一代核武器，尤其是非原子弹扳机的氢弹（干净核武器）设计进度。

 

以美国的NIF为例，其位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）。该实验室由美国能源部国家核安全局（NNSA, National Nuclear Security Administration）管理。而NNSA是美国能源部内负责核武器安全、核材料管控、核不扩散等事务的半独立机构，直接服务于美国的核武器项目。

 

而一旦追根溯源，我们就会发现，劳伦斯利弗莫尔国家实验室与著名的洛斯阿拉莫斯国家实验室是美国两大为了核武设计而建立的机构。劳伦斯利弗莫尔国家实验室1952年由加州大学伯克利分校建立，原为劳伦斯伯克利国家实验室的分支实验室，1971年才成为独立实验室、归加州大学管辖。

 

与核武器高度相关的特点使其在民用应用领域具有天然劣势，在原子弹尚处于管控状态的今天，大规模商用可以直接为氢弹设计提供参数和原理验证的核装置明显不合时宜。出于国家安全考虑，短期内，我们很难想象，由国防产业和军队主导的激光可控核聚变装置会成为商用路线首选。这一点无论在哪个国家都是一样。

 

所以即使忽略靶丸成本因素，激光可控核聚变也会因政治与安全因素降低商用优先级。再考虑到Z-箍缩本身不是一种主流的发展方式，并且对于等离子体控制、超大电流负载等方面提出了极高的要求。因此可以得出一个结论：全球可控核聚变实现的关键在于磁约束聚变，实现的具体时间表将以托卡马克的发展时间表为准。

 

 

Zap Energy官网截图

 

现在美国偏重惯性约束的一个可能原因是，由于中国稀土管制，美国的磁铁供应出现严重问题，其中的代表就是著名的Z-箍缩路线公司Zap Energy，其官网上挂出的口号就是“无需磁体的聚变能源”。

 

托卡马克还需要50年吗？

 

虽然可控核聚变一直有个老梗“永远还差五十年”。但是从现在的工程发展的角度看，我们已经不需要再等50年了。因为在原子核温度突破亿度之后，我们就离实现可控核聚变只差临门一脚。

 

根据HL-3总设计师钟武律在社交平台上的文章，“双亿度”节点标志着我国在聚变能研发的道路上成功跨越了一道关键门槛——我国聚变装备具备了聚变燃烧相关的高参数运行能力。

 

钟武律进一步解释道，要实现核聚变，原子核的温度要超过1亿度。达到该温度后注入燃料，即可发生大规模聚变反应，这次实验的成果就意味着具备开展燃烧实验的基本条件了，这个门槛已经迈过去了。

 

美国、欧盟的两个托卡马克装置曾经实现燃烧实验，但均已退役，目前在运行的装置里面，还没有开展燃烧实验的。至于燃烧实验这个时间点选择，钟武律表示“我们希望能够通过两三年的时间，全面升级整个装置，然后再实现堆芯级参数的运行。”

 

而且钟武律展望称，“我们目前（HL-3）实验装置也才发挥40%左右的能力，下一步，我们对整个装置进行全面升级以后，将会达到我们的设计目标，聚变实验，优化运行方案，探索如何更加有效地提高‘聚变三乘积’，同时可以研究比如说阿尔法粒子的一些行为等前沿物理问题。然后，我们就要把聚变功率放大，让聚变功率的输出大于输入的功率，这是未来我们商用要实现的一个目标。

 

 

中国环流三号

 

换句话说，HL-3已经处于点燃可控核聚变的门槛附近，而且在经历升级之后，理论上可实现工程化验证，我们将拭目以待其能否实现短时间Q>1的目标。

 

更值得注意的是，我国的可控核聚变实验布局绝不仅仅聚焦于短时间Q>1的设备可行性验证。在中国现在的可控核聚变布局中，EAST和HL-3承担了两个不同的任务。

 

EAST主要承担了长脉冲科研需求，所以我们会看到，此前在1月20日，该装置成功率先实现了上亿摄氏度、持续1066秒的稳态长脉冲高约束模（H-mode）等离子体运行，再次创造了托卡马克装置高约束模运行新的世界纪录。而HL-3则承担了高参数的科研任务，所以“双亿度”等实验的重点主要由HL-3承担。

 

钟武律总师此前就在采访中表示可控核聚变要实现商用，要走过大约6个阶段，第一阶段是原理的探索，把原理走通；第二阶段就是要开展规模实验，要得到大量的数据，获得一些规律；第三阶段就是要开展燃烧实验，实现聚变反应、获得聚变功率；第四阶段，就要建造实验堆；第五阶段，示范堆；最后就是商用堆。

 

目前，从全球来看正处于燃烧实验到实验堆过渡的阶段。对于中国来说，首先得开展燃烧实验、获得聚变功率，下一步要建造聚变堆，开展相关工程技术的验证，来支撑在本世纪中叶实现聚变的商用。

 

这一表态也是本轮国内聚变热的核心驱动。可以说一旦HL-3和EAST在燃烧实验上实现突破，那么下一阶段以中国聚变工程实验堆（CFETR）和紧凑型聚变能实验装置（Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，缩写为BEST，中文名“夸父启明”）为代表的实验堆以及私人投资的实验堆将会批量上马。而这将牵引/带动整个行业的投资热潮。

 

这类实验堆将与HL-3以及EAST有较大不同，从设计上就更加贴近未来的商用堆，并解决未来实际使用中的一系列难题。要知道EAST和HL-3远非理想中的托卡马克装置，就以市场之前最关注的超导材料运用来说，EAST并没有使用高温超导磁体，而HL-3由于关注高参数冲刺，不需要长时间工作，且需要经常性进行细节调整，所以其在设计时就没有采用超导体。

 

超导的重要性

 

对于托卡马克以及所有磁约束可控核聚变来说，超导非常重要。有三个原因：第一是磁场强度，第二是焦耳热问题，第三是体积管理。

 

首先是磁场强度，我们都知道磁约束的原理是用强磁场约束等离子体进行反应，而且由于环向磁场主要由外加线圈提供；极向磁场主要由等离子体电流并辅以外部线圈产生。这一基础设计让外部磁场对托卡马克性能影响显著。

 

在托卡马克装置中，磁场强度增强既有利于增加粒子约束能力，又能降低回旋半径；另一方面强磁场能够减少粒子的径向扩散。在实验中，我们可以大致定性得出结论，磁场强度的平方与有效约束时间成正比。同时经过理论推导和实验验证，在至关重要的聚变功率方面，我们也得到一个结论：托卡马克装置单位体积的聚变功率密度正比于磁场强度的4次方。

 

这使得无论是Q值还是托卡马克装置的最终功率和体积，磁场强度都至关重要。

 

 

在托卡马克装置中被约束的等离子体

 

那什么样的材料能实现较高的磁场强度呢？这里需要分类讨论。从维持较长时间的核聚变反应的角度看，超导在持续强磁场方面相对铜材具有压倒性优势。

 

但由于短时间电磁场做功后，微观粒子相互作用会产生无序热运动，这会导致在强磁场下，局部电磁能转化为热能。如果电磁能转化过快，当局部温度快速突破临界值时，超导材料会出现失超现象。

 

这使得相对临界温度更低的低温超导在等离子体内部峰值磁场强度方面不仅会低于高温超导一个数量级乃至更多，甚至会在秒级尺度上低于铜材料所能提供的峰值磁场强度。这也使得在原型阶段，冲击高参数的HL-3出于需要频繁改动、试验不同磁场波形的需求以及磁场强度需求，选择铜导体而非如EAST采用全低温超导。

 

基于上述讨论，我们就可以谈谈超导对于热管理和体积管理的影响了。

 

初中我们就学习了焦耳定律，也即电流通过导体时电能转化为热能Q=I^2Rt。而在托卡马克中，环向磁场的强度和外部线圈电流成正比。这使得在大电流情况下，必须要尽可能降低电阻才能有利于长时间的稳定工作。所以为了解决这个问题，高温超导（及未来可能实现的室温超导）对实现可控核聚变的商用化至关重要。

 

而且考虑到托卡马克装置单位体积的聚变功率密度理想状态下正比于磁场强度的4次方，理论上来说，仅就功率而言，提升一倍的磁场可以让聚变的功率密度提升16倍，这将显著降低未来可控核聚变的体积，提高反应堆参数。

 

所以，在HL-3带领我们跨过第三阶段，也即开展燃烧实验，实现聚变反应、获得聚变功率阶段后。进入第四阶段（实验堆建设）后，预计将陆续启动多项全超导，尤其是采用高温超导的托卡马克堆项目。

 

根据计划，我国的BEST装置虽然依然以Nb₃Sn/NbTi低温超导材料为主，但会在局部高磁场部件尝试国产高温超导。根据计划，进一步发展的CFETR虽然会在主回路磁体依旧延续ITER的技术路径，以Nb₃Sn/NbTi超导材料为核心，但是会加入更多的高温超导材料。当然我们不排除随着以稀土钡铜氧 （Rare Earth Barium Copper Oxide，REBCO）为代表的高温超导材料在工业化生产能力和性能均获得显著提升，相关计划会提前的可能。

 

事实上，在私人投资领域，我国已经有人进军全高温超导托卡马克装置。上海初创公司能量奇点能源科技（上海）有限公司在2024年就宣布，从2022年3月开始设计工作，并于2024年2月安装完工的全高温超导托卡马克装置“洪荒-70”（HH-70），已经在2024年6月18日成功实现等离子体放电。

 

 

经天磁体及其运行测试系统 能量奇点

 

根据能量奇点的计划，其将在2027年完成下一代强磁场高温超导托卡马克装置——“洪荒-170”（HH-170）的建设，并希望该装置实现Q＞10的目标。为支持“HH-170”的研发，能量奇点也在研发高温超导D形磁体，内部代号为“经天”磁体。该磁体已经在今年3月产生了高达21.7T的磁场，超越了美国麻省理工学院和CFS公司的世界纪录。但是这还没到达其设计目标，据悉，该磁体的设计磁场强度高达25T，这一指标将显著高于ITER项目采用的磁铁磁场强度。

 

值得注意的是，能量奇点公司曾于2022年和2023年分别进行过天使轮和Pre-A轮融资，参投股东包括米哈游、蔚来等企业。而且这并不是中国范围内唯一的初创可控核聚变企业，未来随着技术的突破以及中国商业资本越来越多地关注可控核聚变概念，更多的公司将会出现在我们眼前。

 

结语

 

随着各国加大对于可控核聚变的投入，可控核聚变技术已从曾经被视为工程上几乎不可能的挑战，逐步分解细化为一系列拥有明确路线图和时间表的技术攻关任务。而且随着材料学的进步，以中国为代表的各国已经相对清晰地画出可控核聚变实现的路线图和时间表。

 

根据我国路线图，以CFETR为例，计划于2035年左右建成该装置并投入运行，初期将实现100-200MW的聚变功率输出；并计划在21世纪40年代实现1GW的净功率输出，2050年前建成示范聚变电站并向电网供电。

 

今年3月27日，新华社就以“商业化竞速：‘人造太阳’如何照进现实？”为题报道了中国商业核聚变的发展情况。文中，中核集团聚变领域首席科学家段旭如表示，“从全球发展看，聚变商用有望在2050年前后实现，但也不排除随着高温超导、人工智能、先进材料等技术的突破，商业落地时间进一步提前。”

 

相信随着我国相关计划的推进，中国可控核聚变乃至世界可控核聚变已经从“永远的五十年”，逐渐变得触手可及。

 

参考文献：

Abu-Shawareb, H., et al. "Achievement of target gain larger than unity in an inertial fusion experiment." Physical review letters 132.6 (2024): 065102.

杜凯. "国家点火装置 (NIF) 点火靶制备技术研究进展." 物理 38.12 (2009): 914-914.

朱少平, and 罗民兴. "浅谈激光聚变." 物理 53.5 (2024): 287-299.

钟武律, et al. "磁约束核聚变托卡马克装置研究进展与展望." 原子能科学技术 58.S2 (2024): 296-307.

Wolfgang Picot, “用托卡马克和仿星器实现磁聚变约束”, 国际原子能机构通报. 5(2021):6-7‌‌

 

文章来源于底线思维 ，作者唐晓甫