瞭望 | 可控核聚變民營力量潛能漸放

我國可控核聚變民營企業發揮技術路線多、速度快且活、成本相對低等優勢，努力點燃屬於自己的“小太陽”，成爲與“國家隊”並行互補的科技創新力量

三四年間已有數家創業公司從事多條技術路線的研發，在一些方面後發先至

目前各方研發仍處在前期甚至初期階段，離真正商用還有較大距離

文 |《瞭望》新聞週刊記者 馬曉澄 盧宥伊

中國科學院合肥物質科學研究院等離子體所的全超導託卡馬克裝置“東方超環”（EAST），今年1月實現1億℃高約束模等離子體運行1066秒；中核集團西南物理研究院的可控核聚變大科學裝置“中國環流三號”，今年3月實現原子核溫度1.17億℃、電子溫度1.6億℃……

與此同時，我國創立於2021年的兩家民營企業也在可控核聚變技術研發方面表現不俗：星環聚能公司SUNIST-2裝置的環向磁場指標2023年就在球形託卡馬克領域達到世界領先水平；能量奇點公司2024年建成全球首臺全高溫超導託卡馬克裝置“洪荒70”，今年又刷新了由美國公司保持的通流實驗磁場強度世界紀錄。

科學界眼中的“終極能源”、公衆想象中的“人造太陽”——可控核聚變技術，致力於在地球上實現如同太陽核心的能量反應，在超高溫超高壓等極限條件下將核聚變過程穩定、持續控制在一個裝置中，用來安全發電。這一過程中釋放的能量，是目前人類已知最清潔持久的能量形式之一。

幾十年來，該領域研究一直依靠國家力量長線投入，通過龐大的科學裝置和頂級實驗室推進。如國際熱核聚變實驗堆（ITER）啓動建設近40年，現由歐美中俄韓日印等共同實施，預計在2050年前後實現商業化應用。而隨着新材料突破、新技術出現，一批商業公司也加入這一未來產業。

今年3月，中核集團聚變領域首席科學家段旭如表示，不排除隨着高溫超導、人工智能、先進材料等技術的突破，聚變商業落地時間提前。

我國可控核聚變民營企業發展迅速，發揮技術路線多、速度快且活、成本相對低等優勢，努力點燃屬於自己的“小太陽”，成爲與“國家隊”並行互補的科技創新力量。隨着技術資金等瓶頸不斷破解，這支創新力量有望在“終極能源”開發中發揮出更大作用。

民營力量入局

核聚變是將兩個輕原子核“壓縮融合”成更重原子核的過程。與人們熟知的“不可控”核聚變——氫彈爆炸不同，可控核聚變關鍵在於將聚變過程中釋放的巨大能量穩定控制、安全利用。

受訪專家介紹，可控核聚變研發的技術路線主要有兩種。

一是慣性約束聚變。用強大的激光或粒子束瞬間加熱燃料，使其產生聚變，就像點燃“火藥包”，代表裝置是美國的“國家點火裝置”（NIF）。

二是磁約束聚變。相比慣性約束聚變“像打火石一樣瞬間點火”，它更像用強大的磁場“關住火球”，讓等離子體在一個穩定空間中持續“燃燒”，因此被認爲更有希望率先實現穩定發電。

目前，磁約束聚變是全球主流研發路線，中、美、英、法、日、韓等多個國家積極推進，託卡馬克、仿星器、球形託卡馬克、場反位形（FRC）等多種磁約束方案競相探索。其中，最廣泛採用的託卡馬克（Tokamak）裝置，在全球已有100多臺建成並運行。它的外形像一個巨大的“甜甜圈”，通過環形磁場將上億攝氏度的等離子體牢牢約束、持續“燃燒”。

“過去30多年，主要使用鈮系低溫超導材料來建造託卡馬克磁體，工程量和成本巨大，比如國際熱核聚變實驗堆（ITER）磁體裝置有10層樓高，2.3萬噸重，建設成本預計超250億歐元，因此主要由國家力量投入。”能量奇點聯合創始人葉雨明今年初在接受記者採訪時介紹，近年來，被稱爲第二代高溫超導材料的稀土鋇銅氧化物（REBCO）逐步實現工業化量產，它依靠高臨界電流密度等優點爲託卡馬克裝置提供更強的約束磁場。

“新材料的突破使得商業公司入局成爲可能。”葉雨明說，比如能量奇點的“洪荒70”裝置建造成本約1.3億元；擬建的下一代“洪荒170”裝置主體直徑7米、高7米，均爲ITER裝置的1/4；其反應輸出能量可做到和ITER一樣，達到輸入能量的10倍及以上。這些進展已適合商業公司發揮優勢，探索推進。

在目前的可控核聚變研發格局中，“國家隊”立足大範圍大規模用電保障，聚焦發電功率更高的百兆瓦級大型裝置研發；民營力量抓住新材料新技術帶來的可能性，以風險投資、創業公司的市場化方式，探索用小型化裝置、較低試錯成本實現聚變發電。

“在這方面，美國公司起步最早。麻省理工學院衍生企業聯邦聚變系統公司（CFS）的託卡馬克項目SPARC預計今年建成；開放人工智能研究中心（OpenAI）投資的氦核公司（Helion Energy）發展磁慣性約束路線。”葉雨明介紹，我國可控核聚變商業公司起步晚於美國，但近些年發展迅速，三四年間已有數家創業公司從事多條技術路線的研發，在一些方面後發先至。比如能量奇點自主研製的“經天磁體”在首輪通流實驗中產生21.7特斯拉的磁場，已反超對標公司CFS。

靈活優勢初顯

受訪業內人士表示，可控核聚變民營企業具有自身優勢，可以成爲“國家隊”的一種補充。

——技術路線多。我國民營企業在探索聚變新興技術路線上已初具成效，比如星環聚能在球形託卡馬克的多個領域實現了突破，包括實現國際首個重複重聯技術方案的穩定運行。

“我們選擇的是結構更簡單的‘場反位形’（FRC）技術路線，它不需要建巨大而複雜的環形磁場線圈，可能降低工程實現的難度和成本。”瀚海聚能（成都）科技有限公司董事長項江說。

據瞭解，目前我國正在推進研發的各技術路線中，磁約束路線的低溫超導託卡馬克、全超導託卡馬克等技術主要由國家級機構實施攻關；高溫超導託卡馬克、場反位形等技術正由民營企業推進研發，形成多元並進、優勢互補的格局。

——速度快且活。項江認爲，國家級機構擅長基礎研究和科學探索，民營企業在技術研發應用方面更注重商業化可行性和工程化進程，可以在資金和技術上做出更靈活的調整，儘可能縮短從實驗室到市場的週期。“我們的目標是2030～2035年實現規模發電，爲更大規模的可控核聚變發電探路。”項江說。

葉雨明表示，商業公司在速度和效率方面有一定優勢，比如能量奇點在兩年時間內完成了“洪荒70”從設計建設到點亮等離子體的全過程，創造了世界範圍內超導託卡馬克裝置研發建造的最快紀錄。

——投入更經濟。有受訪對象表示，商業公司對資金可持續更爲敏感，有動力探索更經濟高效的研發模式。

瀚海聚能走了一條“沿途下蛋”的路子。公司副總經理劉鶴介紹，在實現發電之前，團隊先利用聚變過程中產生的中子開發癌症治療、中子成像和核廢料處理等技術，提前實現部分商業收益。

值得注意的是，國家級機構近兩年也通過公司化方式推動可控核聚變研發後續裝置建設。比如聚變新能（安徽）有限公司於2023年5月成立，是中國科學院等離子體所磁約束核聚變領域的唯一成果轉化平臺，公司股東包含部分社會資本。2023年12月，中核集團宣佈中國聚變能源有限公司（籌）正式揭牌。商業公司的靈活特性、補充作用，正爲“國家隊”所看重。

更大潛能待放

新技術、新力量的加入爲可控核聚變發電前景帶來了更大想象空間，但受訪人士表示，目前各方研發仍處在前期甚至初期階段，離真正商用還有較大距離，至少有三大技術瓶頸待破解，需要各展所長、合力攻關。

一是長時間穩定運行的技術挑戰。過去幾年裡，我國“東方超環”（EAST）的長脈衝高約束模等離子體運行時間不斷延長，先後實現了60秒、100秒、403秒、1066秒的重大突破。但要達到商業化核聚變電站的要求，需要數小時乃至數天的連續穩定運行，等離子體約束效率和系統整體穩定性都須進一步提升。

二是能量增益與系統效率的提升。實現“淨能量增益”，即輸出能量大於輸入能量（能量增益倍數Q＞1），需要優化等離子體加熱、燃料注入與回收等多個系統的協同效率。經過多年研發，直到2022年12月Q＞1才由美國“國家點火裝置”（NIF）首次實現。跨過這一門檻後，還需繼續攻克Q＞10、Q＞30、Q＞100等多重難關。

三是提升材料與零部件的可靠性。可控核聚變裝置對材料的要求極高，需要考慮高溫、強輻射、強磁場和高能粒子轟擊等極端環境下的各種表現。材料研發、性能提升以及規模化製造仍是重要瓶頸。“就像在煉丹，得先造出一個能抗高溫、抗衝擊的煉丹爐。”項江說，這需要整個產業鏈共同攻關。

技術瓶頸的突破離不開資金投入保障。業內人士介紹，過去5年中我國市場化資金對核聚變領域的投入僅30多億元。此外，公衆普遍對核聚變缺乏科學認識，對輻射風險和環境污染的擔憂影響了社會支持力度。

受訪人士建議，加快構建適合聚變技術的監管體系，出臺資金扶持、土地使用等支持政策，大力提升公衆對聚變清潔安全特性的認知。同時，推動“國家隊”與商業公司在科研平臺、人才培養等方面深度協作，順勢而爲強化我國可控核聚變研發新格局。■