5月29日在合肥科學島拍攝的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）

　　時至今日，可控核聚變商用時間仍不明朗。但多種技術路徑或研究模式下的科研人員都在爭分奪秒，力爭早日實現“無限能源”的夢想。

文/《環球》雜誌記者 戴威

編輯/馬琼

　　地球與太陽的距離僅次於金星和水星，在這顆已存在46億年的藍色星球上，支撐人類社會運轉的能量，幾乎全部來自1.496億公里外的太陽。從煤炭、石油、天然氣，到風能、水能、生物質能，這些能量本質上都是太陽能，而太陽能來自內部的核聚變反應。

　　人類的能源需求越來越大，加劇了傳統化石能源逐漸走向枯竭的風險。作為一種新型的清潔能源，核聚變發電被認為是未來解決能源短缺問題的方向之一。從上世紀開始，各國研究機構和企業就以實用化為目標，在此領域展開激烈競爭。

“無限能源”的夢想

　　電影《流浪地球2》中，人類借助重核聚變産生的巨大能量，給地球安裝了上萬座巨大的行星發動機，推着地球開啟“流浪之旅”。現實中，雖然像電影中那樣的重核元素可控核聚變還難以實現，但對氫及其同位素的可控核聚變研究，人類已走過一個多世紀的歷程。

　　1919年，英國物理學家盧瑟福在實驗中發現，足夠多的氫原子核可以在人工控制下相互碰撞發生核反應轉化為另一種原子；同年，另一位英國物理學家阿斯頓發現，2個氫原子核加起來的質量，比一個氦原子核的質量大一些。這意味着，如果把氫原子核合成氦原子核，就會有一部分質量變成能量，這也是愛因斯坦在相對論中提出的質能方程——E=MC2的體現。

　　1920年，英國物理學家愛丁頓提出重要猜想：太陽的能量來自氫原子核到氦原子核的聚變過程。1928年，美國核物理學家伽莫夫揭示了聚變反應中的庫侖勢壘隧穿效應，即兩個原子核要接近至可以進行核聚變所需要克服的靜電能量壁壘。1年後，物理學家阿特金森和奧特麥斯從理論上計算了氫原子聚變成氦原子的反應條件。計算結果表明，氫原子的聚變反應需在幾千萬攝氏度高溫下進行。這一成果為隨後的熱核聚變研究指明了方向。

　　20世紀30年代，人工核聚變開始出現：1932年，澳大利亞科學家歐裏芬特和英國科學家拉瑟弗首次實現了人工核聚變，他們用加速器把氘原子核轟擊到鋰靶上，産生了氦原子核和中子。但這種方法要消耗很多能量，無法實現發電目標。

　　在研究領域，也結出碩果。1938年，美國物理學家貝特證明太陽能來自太陽內部氫核聚變成氦核的熱核反應，他提出了“碳循環”和“氫循環”核聚變理論來解釋太陽和其他恒星。基於這一貢獻，他在近30年後獲得了諾貝爾物理學獎。

　　20世紀40年代，美國普渡大學的施萊伯和金，用氫的同位素氘（D）轟擊同位素氚（T），實現首個D-T核聚變反應。在此後的研究中，有關D-T核聚變反應的研究一直是可控核聚變領域的一項重要分支。

　　1952年，西太平洋埃尼威托克島上傳出一聲巨響，人類歷史上的首顆氫彈成功爆炸。這一聲巨響，意味着科學家們經年累月地努力爬坡，終於讓人類成功實現了不可控核聚變。也是在這一聲巨響之後，永不滿足的科學家們又提出新課題：如何使核聚變緩慢地釋放聚變能，從而能夠像核裂變一樣轉換成電能為人類提供生産生活所必需的能源？

　　1957年，英國愛丁堡大學的菲爾普斯教授研發了世界第一台核聚變裝置——Zeta，並將研究室中的反應堆作為裝置的核心。儘管這&為反應堆的核聚變研究專門設計的裝置，其發展未能達到科學家們的預期，但這一突破仍被看作是人類可控核聚變發展史上的一個里程碑。

　　20世紀60年代，蘇聯物理學家在托卡馬克裝置上取得非常理想的等離子體參數。之後，英國科學家攜帶着當時最先進的湯姆遜散射測量系統，證實了T-3托卡馬克裝置擁有極高的實驗參數水準，托卡馬克裝置逐漸成為國際磁約束核聚變研究的主流設備，全球範圍內也掀起了托卡馬克裝置的研究熱潮。

　　20世紀80年代，國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃啟動，這是全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。進入21世紀後，中國、印度等國也相繼加入ITER計劃，這一計劃也成為人類實現“無限能源”夢想的有力支撐。

　　近年來，一代代中國科學家接續努力，讓國內可控核聚變研究領域佳績頻出：

　　2006年，中國科學院等離子體物理研究所建成了世界上首個非圓截面全超導托卡馬克實驗裝置——EAST。

　　2018年，EAST實驗裝置率先實現加熱功率超過10兆瓦、等離子體儲能增加到300千焦、等離子體中心電子溫度達到1億攝氏度等一系列成果，標誌着中國未來聚變反應堆實驗的運行邁出了關鍵一步。

　　今年，EAST實驗裝置創造新的世界紀錄，成功實現穩態高約束模式等離子體運行403秒，新突破對探索未來的聚變堆前沿物理問題，提升核聚變能源經濟性、可行性，加快實現聚變發電具有重要意義。

多國政府和企業入場

　　近年來，隨着碳中和目標的提出，尋找清潔、穩定、高效的能源越發迫切。與化石能源相比，核聚變反應不排放二氧化碳；與核裂變能相比，它不會産生核廢料，輻射也小。基於此，多國政府和企業入場，推動了核聚變技術的研發和商業化進程。

　　2020年至2022年，美國陸續發布8份政策性文件，推動聚變能源商用化進程。《美國創新實現2050年氣候目標》將聚變能源列為5個首要任務之一；根據去年3月宣布的《商業聚變能源十年發展規劃》，計劃建設首個緊湊型聚變試驗電站，建立國家研究機構與私人商業公司合作新模式，力爭用10年時間讓美國重回“世界第一”。

　　2021年，英國政府發布《邁向核聚變能源：英國核聚變戰略》，提出要抓住核聚變發展機遇，在核聚變商業化和項目部署方面發揮引領作用。去年10月，英國政府宣布確定建設核聚變原型樣機工廠的地點，計劃2040年建成，並為該項目第一階段研發提供2.2億英鎊的資金支持。

　　今年，日本正式敲定首個核聚變能源開發戰略方案，計劃推出企業參與研發實驗的核聚變反應堆，並爭取在2050年左右實現核聚變發電。

2022年1月10日，在韓國大田市韓國聚變能源研究所，KSTAR研究中心本部長尹時雨向媒體記者介紹超導核聚變研究成果

　　除政府外，企業和私人投資也瞄準了核聚變領域。

　　2015年，美國人工智能公司OpenAI首席執行官山姆·阿爾特曼向一家名為Helion Energy的核聚變初創公司投資了950萬美元。2021年，微軟創始人比爾·蓋茨和亞馬遜創始人傑夫·貝索斯分別在相關領域投資。

　　美國核聚變産業協會預計，2035至2050年間，圍繞核聚變發電這一新興行業潛在的投資金額可能達數萬億美元。而根據美國核聚變産業協會2022年發布的調查數據，全球私營核聚變公司獲得超過48億美元的投資，比2021年增長139%，私人投資對核聚變的投資額首次超過政府資助。截至2022年底，全球參與核聚變研究的公司超過30家，其中近一半公司在過去5年間成立。

“一步之遙”？核聚變商用時間尚不明朗

　　2010年代以來，全球出現許多核聚變初創公司，並募集到鉅額資金，其中大部分是私人投資。目前，該領域被稱為“三強”的企業，都計劃在2030年代將核聚變發電投入實用。

　　“三強”之一的英國托卡馬克能源公司，去年3月首次實現了核聚變反應所需的1億攝氏度的等離子體。為長時間保存放入球狀容器的等離子體，他們將致力於開發使用強力超導磁鐵的技術，計劃2026年建成實驗反應堆。美國聯邦聚變系統公司也將使用超導磁鐵，生成能量多於投入能量的實驗反應堆計劃於2025年投入運行。加拿大通用聚變公司將使用一種用液態金屬包裹和壓縮等離子體的自主技術，計劃2027年之前在英國啟動實驗性反應堆。

　　這“三強”公司分別籌集了2.5億美元至20億美元的資金，都力爭在2030年代初期實現核聚變發電的商業化。此前，ITER項目計劃在本世紀中葉集成演示未來能提供能源的聚變堆的物理和工程技術基礎，如果“三強”的目標能如期實現，那麼核聚變實用化的夢想將大幅提前。

　　近年來，不少中國企業也在這條新賽道上加速布局：去年2月，騰訊宣布投資位於英國牛津的核聚變技術明星公司First Light Fusion，投下4000萬美元C輪融資。同樣是在去年，蔚來和米哈游共同投資聚變能源公司“能量奇點”，該公司致力於探索可商業化的聚變能源技術。

　　儘管各方信心滿滿，但可控核聚變商用時間仍不明朗。業內人士指出，目前，要實現高約束、穩態等離子體聚變燃燒，要跨越諸多技術挑戰，現在談商用為時尚早。可以確定的是，該賽道上多種技術路徑或研究模式下的科研人員都在爭分奪秒，力爭早日實現“無限能源”的夢想。

來源：2023年7月26日出版的《環球》雜誌 第15期

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