核聚变发电的梦想与现实

2023-07-29 11:24:42 来源： 《环球》杂志

5月29日在合肥科学岛拍摄的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）

　　时至今日，可控核聚变商用时间仍不明朗。但多种技术路径或研究模式下的科研人员都在争分夺秒，力争早日实现“无限能源”的梦想。

文/《环球》杂志记者戴威

编辑/马琼

　　地球与太阳的距离仅次于金星和水星，在这颗已存在46亿年的蓝色星球上，支撑人类社会运转的能量，几乎全部来自1.496亿公里外的太阳。从煤炭、石油、天然气，到风能、水能、生物质能，这些能量本质上都是太阳能，而太阳能来自内部的核聚变反应。

　　人类的能源需求越来越大，加剧了传统化石能源逐渐走向枯竭的风险。作为一种新型的清洁能源，核聚变发电被认为是未来解决能源短缺问题的方向之一。从上世纪开始，各国研究机构和企业就以实用化为目标，在此领域展开激烈竞争。

“无限能源”的梦想

　　电影《流浪地球2》中，人类借助重核聚变产生的巨大能量，给地球安装了上万座巨大的行星发动机，推着地球开启“流浪之旅”。现实中，虽然像电影中那样的重核元素可控核聚变还难以实现，但对氢及其同位素的可控核聚变研究，人类已走过一个多世纪的历程。

　　1919年，英国物理学家卢瑟福在实验中发现，足够多的氢原子核可以在人工控制下相互碰撞发生核反应转化为另一种原子；同年，另一位英国物理学家阿斯顿发现，2个氢原子核加起来的质量，比一个氦原子核的质量大一些。这意味着，如果把氢原子核合成氦原子核，就会有一部分质量变成能量，这也是爱因斯坦在相对论中提出的质能方程——E=MC2的体现。

　　1920年，英国物理学家爱丁顿提出重要猜想：太阳的能量来自氢原子核到氦原子核的聚变过程。1928年，美国核物理学家伽莫夫揭示了聚变反应中的库仑势垒隧穿效应，即两个原子核要接近至可以进行核聚变所需要克服的静电能量壁垒。1年后，物理学家阿特金森和奥特麦斯从理论上计算了氢原子聚变成氦原子的反应条件。计算结果表明，氢原子的聚变反应需在几千万摄氏度高温下进行。这一成果为随后的热核聚变研究指明了方向。

　　20世纪30年代，人工核聚变开始出现：1932年，澳大利亚科学家欧里芬特和英国科学家拉瑟弗首次实现了人工核聚变，他们用加速器把氘原子核轰击到锂靶上，产生了氦原子核和中子。但这种方法要消耗很多能量，无法实现发电目标。

　　在研究领域，也结出硕果。1938年，美国物理学家贝特证明太阳能来自太阳内部氢核聚变成氦核的热核反应，他提出了“碳循环”和“氢循环”核聚变理论来解释太阳和其他恒星。基于这一贡献，他在近30年后获得了诺贝尔物理学奖。

　　20世纪40年代，美国普渡大学的施莱伯和金，用氢的同位素氘（D）轰击同位素氚（T），实现首个D-T核聚变反应。在此后的研究中，有关D-T核聚变反应的研究一直是可控核聚变领域的一项重要分支。

　　1952年，西太平洋埃尼威托克岛上传出一声巨响，人类历史上的首颗氢弹成功爆炸。这一声巨响，意味着科学家们经年累月地努力爬坡，终于让人类成功实现了不可控核聚变。也是在这一声巨响之后，永不满足的科学家们又提出新课题：如何使核聚变缓慢地释放聚变能，从而能够像核裂变一样转换成电能为人类提供生产生活所必需的能源？

　　1957年，英国爱丁堡大学的菲尔普斯教授研发了世界第一台核聚变装置——Zeta，并将研究室中的反应堆作为装置的核心。尽管这台为反应堆的核聚变研究专门设计的装置，其发展未能达到科学家们的预期，但这一突破仍被看作是人类可控核聚变发展史上的一个里程碑。

　　20世纪60年代，苏联物理学家在托卡马克装置上取得非常理想的等离子体参数。之后，英国科学家携带着当时最先进的汤姆逊散射测量系统，证实了T-3托卡马克装置拥有极高的实验参数水准，托卡马克装置逐渐成为国际磁约束核聚变研究的主流设备，全球范围内也掀起了托卡马克装置的研究热潮。

　　20世纪80年代，国际热核聚变实验堆（ITER）计划启动，这是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。进入21世纪后，中国、印度等国也相继加入ITER计划，这一计划也成为人类实现“无限能源”梦想的有力支撑。

　　近年来，一代代中国科学家接续努力，让国内可控核聚变研究领域佳绩频出：

　　2006年，中国科学院等离子体物理研究所建成了世界上首个非圆截面全超导托卡马克实验装置——EAST。

　　2018年，EAST实验装置率先实现加热功率超过10兆瓦、等离子体储能增加到300千焦、等离子体中心电子温度达到1亿摄氏度等一系列成果，标志着中国未来聚变反应堆实验的运行迈出了关键一步。

　　今年，EAST实验装置创造新的世界纪录，成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，新突破对探索未来的聚变堆前沿物理问题，提升核聚变能源经济性、可行性，加快实现聚变发电具有重要意义。

多国政府和企业入场

　　近年来，随着碳中和目标的提出，寻找清洁、稳定、高效的能源越发迫切。与化石能源相比，核聚变反应不排放二氧化碳；与核裂变能相比，它不会产生核废料，辐射也小。基于此，多国政府和企业入场，推动了核聚变技术的研发和商业化进程。

　　2020年至2022年，美国陆续发布8份政策性文件，推动聚变能源商用化进程。《美国创新实现2050年气候目标》将聚变能源列为5个首要任务之一；根据去年3月宣布的《商业聚变能源十年发展规划》，计划建设首个紧凑型聚变试验电站，建立国家研究机构与私人商业公司合作新模式，力争用10年时间让美国重回“世界第一”。

　　2021年，英国政府发布《迈向核聚变能源：英国核聚变战略》，提出要抓住核聚变发展机遇，在核聚变商业化和项目部署方面发挥引领作用。去年10月，英国政府宣布确定建设核聚变原型样机工厂的地点，计划2040年建成，并为该项目第一阶段研发提供2.2亿英镑的资金支持。

　　今年，日本正式敲定首个核聚变能源开发战略方案，计划推出企业参与研发实验的核聚变反应堆，并争取在2050年左右实现核聚变发电。

2022年1月10日，在韩国大田市韩国聚变能源研究所，KSTAR研究中心本部长尹时雨向媒体记者介绍超导核聚变研究成果

　　除政府外，企业和私人投资也瞄准了核聚变领域。

　　2015年，美国人工智能公司OpenAI首席执行官山姆·阿尔特曼向一家名为Helion Energy的核聚变初创公司投资了950万美元。2021年，微软创始人比尔·盖茨和亚马逊创始人杰夫·贝索斯分别在相关领域投资。

　　美国核聚变产业协会预计，2035至2050年间，围绕核聚变发电这一新兴行业潜在的投资金额可能达数万亿美元。而根据美国核聚变产业协会2022年发布的调查数据，全球私营核聚变公司获得超过48亿美元的投资，比2021年增长139%，私人投资对核聚变的投资额首次超过政府资助。截至2022年底，全球参与核聚变研究的公司超过30家，其中近一半公司在过去5年间成立。

“一步之遥”？核聚变商用时间尚不明朗

　　2010年代以来，全球出现许多核聚变初创公司，并募集到巨额资金，其中大部分是私人投资。目前，该领域被称为“三强”的企业，都计划在2030年代将核聚变发电投入实用。

　　“三强”之一的英国托卡马克能源公司，去年3月首次实现了核聚变反应所需的1亿摄氏度的等离子体。为长时间保存放入球状容器的等离子体，他们将致力于开发使用强力超导磁铁的技术，计划2026年建成实验反应堆。美国联邦聚变系统公司也将使用超导磁铁，生成能量多于投入能量的实验反应堆计划于2025年投入运行。加拿大通用聚变公司将使用一种用液态金属包裹和压缩等离子体的自主技术，计划2027年之前在英国启动实验性反应堆。

　　这“三强”公司分别筹集了2.5亿美元至20亿美元的资金，都力争在2030年代初期实现核聚变发电的商业化。此前，ITER项目计划在本世纪中叶集成演示未来能提供能源的聚变堆的物理和工程技术基础，如果“三强”的目标能如期实现，那么核聚变实用化的梦想将大幅提前。

　　近年来，不少中国企业也在这条新赛道上加速布局：去年2月，腾讯宣布投资位于英国牛津的核聚变技术明星公司First Light Fusion，投下4000万美元C轮融资。同样是在去年，蔚来和米哈游共同投资聚变能源公司“能量奇点”，该公司致力于探索可商业化的聚变能源技术。

　　尽管各方信心满满，但可控核聚变商用时间仍不明朗。业内人士指出，目前，要实现高约束、稳态等离子体聚变燃烧，要跨越诸多技术挑战，现在谈商用为时尚早。可以确定的是，该赛道上多种技术路径或研究模式下的科研人员都在争分夺秒，力争早日实现“无限能源”的梦想。

来源：2023年7月26日出版的《环球》杂志 第15期