中能观察丨竞合之下，终极能源渐行渐近

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（来源：中国电力新闻网）

转自：中国电力新闻网

中国能源新闻网记者 王睿佳

当我们仰望群星，那璀璨的光芒实则来源于恒星内部巨大的核聚变反应，以每秒数亿吨氢元素聚变的速度，释放着惊人能量。

　　自人类意识到这一点，便梦想着在地球上复制恒星的能量。可控核聚变被誉为能源领域的“圣杯”，它能够提供几乎无限的清洁能源，解决人类面临的能源危机和环境问题。

　　7月下旬，中国聚变能源有限公司（以下简称“中国聚变公司”）在上海正式揭牌成立。今年以来，核聚变相关概念在资本市场上持续受到关注，已有多家上市企业宣布进军核聚变产业链。可控核聚变的脚步声正越来越清晰。

　　清华大学工程物理系副教授谭熠更是认为，可控核聚变不用再等50年，未来几年，会有新的聚变装置产生的重要成果出现。

　　究竟什么是可控核聚变？可控核聚变技术何时能够实现商业化？也许，我们离实现“人造太阳”的梦想并没有多远。

可控核聚变为什么备受关注？

　　核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。

　　裂变能已被人类熟练掌握并在全球范围内的核电站实现商业应用。核聚变是指两个较轻的原子核结合形成一个较重的原子核的过程，在这个过程中会有少量质量损失，根据爱因斯坦的质能方程E=mc2（E表示能量，m代表质量，而c则表示光速），这些损失的质量会转化为巨大能量。

　　与核裂变相比，可控核聚变技术在资源可持续性、环境友好性和安全性方面具有显著优势。据估算，一升海水中所含的氘燃料在聚变过程中释放的能量，约等同于300升汽油的燃烧热值；在废物处理层面，聚变产生的放射性物质半衰期较短（通常仅为数十年），远低于核裂变产生的长效级放射性废料；此外，聚变反应具备固有安全性——一旦反应条件不满足，过程便会自动终止，从根本上避免了堆芯熔毁或爆炸等重大事故风险。

　　“可控核聚变被称作‘终极清洁能源’，其通过反应自限性、低放废料特性、多重工程屏障等实现本质安全，风险水平显著低于核裂变和化石能源。”中国电力工程顾问集团华东电力设计院副总工程师姜震表示，目前理论和试验均已证明，核聚变技术能确保“近零核废料”和可控辐射。

　　目前最有希望实现的聚变反应是氘和氚的反应：氘可以从海水中提取，而氚可以通过锂再生。理论上，一克氘氚燃料可以产生相当于8吨石油的能量。

　　实现可控核聚变需要满足三大基本条件：极高的温度（约1.5亿摄氏度，是太阳核心温度的10倍）、足够的粒子密度、足够的能量约束时间。这就是所谓的“劳森判据”——只有当聚变燃料的温度、密度和约束时间的乘积达到特定值时，聚变反应产生的能量才能超过输入能量。

　　实现“劳森判据”是聚变能源研究的必由之路，标志着技术从实验室研究向工程应用的转折。由此可见，实现可控核聚变的难度超乎寻常。

全球聚变计划

　　国际热核聚变实验反应堆（ITER）位于法国圣保罗—莱迪朗斯，被誉为“人造太阳”计划，是目前国际上规模最大的可控核聚变合作实验项目。

　　经过数十年努力，ITER组织官网于4月30日宣布：这一由中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国等30多个国家和地区参与建造的“人造太阳”，已完成其“电磁心脏”——世界最大、最强的脉冲超导电磁体系统的全部组件建造。该成果堪称“里程碑式的成就”，标志着人类向实现可控核聚变能源迈出关键一步。

　　ITER采用托卡马克装置，这是一种利用强大磁场约束高温等离子体的环形容器。该系统运转时，先将2至3克氘氚混合气体注入托卡马克环形腔室，通电形成等离子体后，再用磁体构建“无形的磁笼”加以控制；此后，外部加热系统将等离子体温度升高到1.5亿摄氏度，粒子高速运动克服电荷斥力，发生聚变释放巨大能量。

　　ITER的目标是证明聚变能的科学和技术可行性，计划产生500兆瓦的聚变功率。尽管项目面临多次延迟和预算超支，仍是人类在聚变道路上最重要的尝试之一。

　　除了ITER，部分发达国家还有各自的聚变研究计划。

　　2020年，英国宣布球形托卡马克能源生产计划，旨在2040年建成商业聚变电厂。

　　2022年，美国国家点火装置首次实现可控核聚变反应的净能量增益，标志着聚变研究迈出关键一步；2024年，该实验再次刷新纪录，输出能量达到5.2兆焦耳，其能量增益因子约为2.5。

　　科技资本巨头近年来也密集入场：OpenAI创始人Sam Altman于2021年投资核聚变初创公司Helion Energy，微软更与该公司签订售电协议，计划2028年采购至少50兆瓦的聚变电力；2025年2月，Helion Energy完成4.25亿美元F轮融资，总估值达54亿美元，创下聚变行业的融资纪录。据不完全统计，目前全球有超过30家聚变公司，它们探索各种创新方法，试图更快、更经济地实现聚变发电。

中国速度

　　我国在核聚变领域虽起步较晚，但进展迅速，已成为国际聚变研究的重要力量。

　　我国的超导托卡马克装置EAST位于中科院合肥等离子体物理研究所，自2006年首次放电以来，多次打破等离子体约束时间纪录：2021年，EAST实现了1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行；2025年1月，EAST再次获重大突破——实现1亿摄氏度下长达1066秒的高约束模式等离子体稳态运行，创造了全球新纪录。

　　中国环流三号（HL-3）是目前我国规模最大、参数最高的托卡马克装置，由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造和运行，装置总高8.39米、直径8米，等离子体离子温度可达1.5亿摄氏度。HL-3自2020年建成后，多次刷新我国可控核聚变装置运行纪录。

　　2023年12月，中核集团核工业西南物理研究院与ITER总部签署协议，宣布HL-3作为ITER卫星装置面向全球开放。

　　与以往“仍需50年”或“至少30年”的谨慎预估相比，当前实验成果与技术发展呈现更加积极的态势，可控核聚变的落地时间正不断被拉近。

　　中国聚变公司的成立，正是科研与政策合力推动下走出的关键一步。公司挂牌当天，中核集团、集团昆仑资本、国家绿色发展基金、浙江等众多实力企业共同签署增资扩股协议，总投资额约114.9亿元。能源巨头入股，无疑彰显出业内对可控核聚变发展前景的信心。

　　“此前该领域主要停留在实验室研究阶段，如今有了实体化运营的公司作为支撑。”厦门大学中国能源政策研究院院长林伯强认为，通过整合中核集团及多家能源企业的资源，不仅有助于实现技术互补，还能形成更雄厚的资本基础，为整个核聚变产业链注入新动能。

　　此外，一些民营企业也在积极布局。其中，陕西星环聚能以商业化可控聚变能开发为核心业务，聚焦球形托卡马克技术路线。据了解，该公司在2022年6月获得顺为资本、中科创星等机构数亿元天使轮融资，2024年3月再获数亿元Pre-A轮融资，资金用于实验装置研发及核心团队建设。

我们还有多远？

　　对于“我们离可控核聚变还有多远”，学界有不同看法：乐观者认为2030—2040年可实现示范发电，保守者则认为可能需要到2050年甚至更晚。

　　据悉，ITER计划于2025年进行首次等离子体放电，2035年开始氘氚燃烧实验。如果成功，将为示范堆（DEMO）铺平道路——DEMO的目标是证明聚变发电的技术和经济可行性，预计在2040—2050年间建设。

　　早在2016年，在深度参与ITER项目、积累丰富大科学工程经验的基础上，我国提出建设新一代聚变工程实验装置——中国聚变工程实验堆（CFETR）的重要战略规划。该装置不仅在工程规模上，更在核心参数指标上超越ITER。

　　根据计划，CRAFT项目预计于2025年底在安徽合肥完成全部建设任务。建成后，它将成为具有全球领先参数与完整功能的研发与测试一体化综合平台，为我国聚变示范堆工程的推进提供关键技术与核心装备支撑。

　　值得注意的是，聚变研究已经进入公私并行时代。一些民营企业尝试采用创新方法缩短时间线，虽然这些时间表可能过于乐观，但私有资本的参与确实加速了技术创新。

　　在谭熠看来，当前“国家队”和民企有着不同的技术路线、管理方式和资金来源，可形成良好互补；此外，许多新公司入局，大量资金与人才涌入，为行业未来留足了发展动能。他分析，三大因素推动聚变行业升温。

　　“首先是需求牵引，气候变化让我们不得不去寻求化石燃料以外的能源方案，但现有核电站受条件限制，无法满足当前占比60%的化石燃料所贡献的电力需求，聚变则可填补这一空缺。”

　　其次，AI的蓬勃兴起使电力需求激增，且技术进步让聚变堆成本更低、周期缩短，吸引更多风险投资入场。

　　最后，“新公司涌入是好事。”谭熠认为，尽管新玩家的技术路线“五花八门”，但多一种尝试，人类实现聚变能的可能性就大一分；更重要的是，行业竞争推高了人才待遇，如今聚变领域的博士工资也非常具有吸引力。

　　尽管前景诱人，实现可控核聚变也仍面临挑战。

　　中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所所长钟武律认为，在众多技术途径中，托卡马克被认为有望率先实现聚变能源应用，但前路依旧充满挑战——要实现堆芯等离子体“稳态自持燃烧”目标，还需解决等离子体非感应电流驱动、加料与排灰、等离子体与材料相互作用等问题。

　　此外，即便科学上可行，聚变能还需与其他能源竞争，降低建设成本和运营维护费用，也是商业化必须面对的挑战。

　　谭熠坦言，现阶段按传统大托卡马克路线，一个百万千瓦级的电站造价可能达上千亿元，算上5%的利息，度电成本降不下来，“至少要1块多”。

　　可控核聚变是人类科学技术面临的最宏大挑战之一，虽然道路漫长，但每一步进展，都代表着人类智慧的胜利。

　　当我们问“还有多远”，答案不仅关乎时间，更离不开资源投入、国际合作与技术创新的持续积累。在化石能源日益枯竭、气候变化威胁加剧的今天，追逐聚变梦想，不仅是对无限能源的渴望，更是对人类未来的责任。

责任编辑：闫弘旭