（本文發(fā)表于2024年第1期）

> 可控核聚變想象概念圖 視覺中國 / 供

第一作者簡介吳西順，副研究員，研究方向為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，中國地質(zhì)調(diào)查局“期刊百篇優(yōu)秀論文”獲得者，中國知網(wǎng)“高PCSI論文、高被引論文、高下載論文”作者，其多篇論文獲核心期刊“年度優(yōu)秀論文”。

通信作者簡介王登紅，二級研究員，中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所所長，戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)礦產(chǎn)調(diào)查工程首席科學(xué)家，《中國礦產(chǎn)地質(zhì)志》總主編，李四光地質(zhì)科學(xué)獎獲得者。主持項目達40余項，提出并創(chuàng)新鋰礦、稀土礦等“三稀”礦產(chǎn)成礦理論，研發(fā)系列創(chuàng)新技術(shù)，在四川甲基卡、廣東大寶山、江西九龍腦等地取得十幾處找礦新突破；主編《中國礦產(chǎn)地質(zhì)志》10余卷，填補我國礦產(chǎn)資源領(lǐng)域大型專業(yè)志書空白。獲國家科技進步獎二等獎1項，省部級獎一等獎5項、二等獎1項，中國地質(zhì)學(xué)會十大科技進展2項，以及侯德封獎等多個獎項。公開發(fā)表論文500余篇，出版專著35部，培養(yǎng)碩/博士研究生40余名。其所帶領(lǐng)的團隊入選自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團隊。

能源，是人類的永恒話題，從鉆木取火、水車風(fēng)車、挖煤燒炭到蒸汽機、內(nèi)燃機、火車、汽車，再到飛機、火箭，都離不開能源的驅(qū)動。從煤炭、石油等傳統(tǒng)化石能源到太陽能、風(fēng)能、海洋能、地?zé)崮堋⒑四艿刃履茉矗茉蠢玫男问皆絹碓截S富多樣，也越來越高效環(huán)保。20世紀(jì)40年代，為追求更高的能量效率和更環(huán)保的能源方式，人們開始研究可控核聚變。如今，可控核聚變被譽為人類“終極能源”之解決方案。就在第28屆聯(lián)合國氣候變化大會召開的前幾周，國際原子能機構(gòu)總干事拉斐爾·馬里亞諾·格羅西在談到核聚變時說：“這是第一次，所有的拼圖都齊備了：物理學(xué)、政策驅(qū)動力和投資。”那么，可控核聚變?yōu)槿祟愒旄５男聲r代真的到來了嗎?

01

“終極能源”：核聚變

在核聚變發(fā)電的社會，人們可以實現(xiàn)真正的“電力自由”，不再有限電的擔(dān)憂。

萬物生長靠太陽，而地球只接收到太陽能量的二十二億分之一就生長出萬物，那么，太陽的能量有多大呢?太陽內(nèi)部每秒聚變6.2億噸的氫，產(chǎn)生的功率高達38×1026瓦，比最大的氫彈大18億倍。太陽直徑是地球的109倍，質(zhì)量是地球的33萬倍，巨大的引力把氫原子拉向溫度接近1500萬攝氏度的太陽內(nèi)部，由此產(chǎn)生的高溫高壓導(dǎo)致氫核持續(xù)聚變生成氦，同時釋放出巨大能量。

聚變與裂變同屬于核反應(yīng)，其過程均產(chǎn)生巨大的核能，但有本質(zhì)不同。一個較重的鈾原子受中子轟擊會裂變?yōu)殇^和氪兩個原子，同時釋放大量能量和三個新的中子，新的中子又激發(fā)其他鈾原子發(fā)生裂變，從而發(fā)生鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)，這就是核裂變。今天，科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)多種核裂變方式，但鈾裂變還是最常見的，如原子彈和核電站。

核裂變存在風(fēng)險，如核污染等，而核聚變則沒有這種風(fēng)險，其產(chǎn)物氦是自然界中廣泛分布的惰性氣體，無色、無味、無輻射。核聚變是與核裂變相反的過程，它是把小原子聚合成大原子。例如，氫是宇宙中最小的原子，它有三種同位素氕（H）、氘（D）、氚（T）。氘原子和氚原子在一定條件下發(fā)生聚合，會產(chǎn)生一個氦原子和一個中子，并釋放更多能量。氫彈就屬于這一類型，而且能量比原子彈要大很多。可見，核聚變不但能量比核裂變大，而且沒有核輻射的危險，是模仿恒星機制的一種清潔綠色終極能源。

雖然氫彈利用的是無污染的核聚變，但它是爆炸式核能武器，破壞性的爆炸能量無法維系長期的日常生產(chǎn)生活供電需求，要想和平利用核能，還需要研發(fā)可控核聚變，人們稱之為“人造太陽”。

> 核裂變與核聚變示意圖

02

“人造太陽”：可控核聚變

太陽之所以能長期發(fā)生核聚變，是因為其存在著巨大的引力場，同時太陽的核心還有著近1500萬攝氏度的高溫。“人造太陽”不可能制造如此高溫高壓的巨大引力場，于是人們主要采用磁約束和慣性約束來解決“人造太陽”的相關(guān)問題。

> 托卡馬克磁約束示意圖

磁約束，是利用磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的超高溫等離子體約束在有限空間內(nèi)，讓核聚變反應(yīng)發(fā)生并釋放能量。由于在核聚變高溫下沒有任何材料時固態(tài)的，俄國科學(xué)家于1968年首先提出用“托卡馬克（Tokamak）”方法來約束核聚變。托卡馬克是俄語中“磁場”“環(huán)形”“真空室”三個詞詞頭的組合。這種磁約束的形狀就像一個“甜甜圈”，用無形的磁場將等離子體束縛住而持續(xù)反應(yīng)。托卡馬克技術(shù)較為成熟，如位于英國的JET裝置于2021年12月生產(chǎn)了5秒內(nèi)持續(xù)提供59兆焦耳的能量。除了托卡馬克，仿星器、磁鏡、球形環(huán)、緊湊環(huán)、環(huán)箍縮等采用的也是磁約束方法。

> 慣性約束聚變示意圖

慣性約束，是利用外殼的慣性限制聚變規(guī)模，通過內(nèi)爆對熱核燃料進行壓縮，使其達到高溫高密度條件，進而實現(xiàn)熱核點火并燃燒，其中最有名的是用激光作為驅(qū)動源的慣性約束。2023年7月30日，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室宣布國家點火裝置（NIF）取得新突破，就是采用“激光慣性約束”制造的，耗資35億美元。

03

國外研發(fā)進展

截至2022年年底，全世界約130個國有或私營聚變實驗堆中有90個在運行，12個在建，28個在計劃中。科研經(jīng)費不足是當(dāng)今制約核聚變研究的最大問題。例如，近70年里，美國研究經(jīng)費平均每年僅5億美元。英國政府將在2027年前共投資6.5億英鎊支持核聚變研究，德國未來五年將投資超過10億歐元用于核聚變開發(fā)。盡管如此，經(jīng)費仍然不足。然而，科學(xué)家們用如此少的資源卻取得了如此大的成就，實屬不易。從前，核聚變研究主要由國家機構(gòu)或國際政府合作來主導(dǎo)。2021年以來，鑒于核聚變的快速發(fā)展，私人資本開始加速進入小型商用托卡馬克領(lǐng)域。

國際空前大合作開展國際熱核聚變實驗。位于法國南部的ITER是世界最大的核聚變堆，由35個國家合作建造，重2.3萬噸，100多萬個部件。這次國際大合作的程度是人類史上前所未有的，如歐盟和俄羅斯等制造偏濾器和真空室，中國等建造磁體饋線（Feeders）和極向線圈（PF coils），美國制造ITER的“心臟”中心螺管（Central Solenoid，CS），日本等制造超環(huán)線圈（Toroidal Field Coils），印度制造最重的低溫恒溫器（Cyrostat），韓國制造熱防護（Thermal Shield），等等。

歐盟最早攻克磁約束技術(shù)，領(lǐng)頭開發(fā)各種裝置。1984年，歐洲多國共同合作建成了歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（Joint European Torus，JET）。除此之外，歐洲多國也掌握托卡馬克技術(shù)，包括德國的ASDEXU、意大利的FTU、英國的MAST、法國的WEST，等等。

美國兼顧兩種技術(shù)，其中，慣性約束獲重大突破。勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室2009年啟動國家點火裝置（NIF），最初是為了通過模擬核爆炸測試核武器，后來被用于慣性約束研究。192束1053納米、長度僅幾納秒的紅外激光脈沖，被轉(zhuǎn)換成351納米的紫外線聚焦在燃料球上。燃料球是一個鉛筆橡皮大小的金罐，裝有胡椒粒大小的燃料艙。金罐被加熱到幾百萬攝氏度后發(fā)出X射線，使燃料艙的鉆石殼融化蒸發(fā)，燃料內(nèi)爆壓縮并加熱艙中的氘和氚，實現(xiàn)核聚變。2016年10月，麻省理工學(xué)院的阿爾卡特（Alcator）C-Mod創(chuàng)造了磁約束等離子體高壓的世界紀(jì)錄，首次超過2個大氣壓，每秒發(fā)生300萬億次聚變反應(yīng)。2019年11月，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的等離子體線性實驗（PLX），結(jié)合了磁約束和慣性約束兩種主流方法的優(yōu)勢，提升了生產(chǎn)效率。

日本曾長期處于世界可控核聚變前列。1985年建成的大型托卡馬克JT-60U創(chuàng)造的5.22億攝氏度聚變溫度至今保持著世界最高溫紀(jì)錄，直到2021年8月8日，被美國國家點火裝置打破。世界最先進的激光聚變器之一Gekko-XII和最大的螺旋磁約束仿星器也在日本。超導(dǎo)托卡馬克JT-60SA與歐洲聚變能組織（F4E）合作開發(fā)，該裝置高16米，可將等離子體加熱到2億攝氏度并維持約100秒，2023年10月實現(xiàn)了首次等離子體實驗第一階段目標(biāo)。

> 托卡馬克真空容器內(nèi)部 視覺中國 / 供

04

我國研究進展

我國對可控核聚變的研究后來居上，發(fā)展穩(wěn)健，并屢創(chuàng)新高。

在磁約束方面，中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所的“東方超環(huán)”EAST和中核工業(yè)西南物理研究院的環(huán)流器二號HL-2M都很先進。“東方超環(huán)”于2006年正式建成，是我國自行研制的國際首個全超導(dǎo)裝置，近年來屢次創(chuàng)下世界紀(jì)錄。2021年5月，“東方超環(huán)”成功在1.2億攝氏度下運行101秒。2023年4月12日，EAST又成功實現(xiàn)高功率穩(wěn)定403秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束運行。我國新一代“人造太陽”屢獲突破性進展，“環(huán)流二號”2022年等離子體電流突破1兆安培，“環(huán)流三號”則次年刷新持續(xù)時間403秒，并與ITER簽署協(xié)議面向全球開放。

在慣性約束方面，神光二號是我國2002年成功研制的大型激光裝置，建在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所。上百臺光學(xué)設(shè)備集成在一個足球場大小的空間內(nèi)，可在十億分之一秒的超短瞬間內(nèi)發(fā)射出相當(dāng)于全球電網(wǎng)電力總和數(shù)倍的強大功率，釋放出極端高溫高壓。技術(shù)路線與NIF類似。

2021年，中國聚變工程實驗堆（CFETR）立項，計劃在2035年開始開展大規(guī)模科學(xué)實驗，在2050年建設(shè)聚變商用示范堆。國內(nèi)小型初創(chuàng)公司，如能量奇點公司的“洪荒70”高溫超導(dǎo)裝置，于2022年2月完成首輪融資近4億元人民幣，主要用于經(jīng)天磁體和奇門系統(tǒng)研發(fā)。清華大學(xué)核能所的衍生公司——星環(huán)聚能在2022年6月也完成數(shù)億元天使輪融資，用于小型化、商業(yè)化、快速迭代裝置的設(shè)計、建設(shè)、運行和研發(fā)，其SUNIST-2球形托卡馬克建成并獲得了第一批等離子體。

05

礦產(chǎn)資源與

“人造太陽第一壁”

礦產(chǎn)資源在“人造太陽”研發(fā)中不可或缺，有些甚至是關(guān)鍵材料。例如，核聚變反應(yīng)堆包層材料要加入鋰，以便中子與鋰反應(yīng)產(chǎn)生新的氚核。這一步至關(guān)重要，因為每次氘氚反應(yīng)都會消耗一個氚核，如果不利用這個機會補充氚核，反應(yīng)堆燃料很快就會耗盡。因此，氚增殖劑的主要材料是鋰，包括鋰陶瓷、純鋰或液態(tài)金屬含鋰共晶體材料。

聚變反應(yīng)是以高速中子的形式產(chǎn)生大部分能量，由于中子不帶電荷無法被磁場約束，它不僅可以穿越磁場，還可以穿過反應(yīng)堆壁。因此，反應(yīng)堆壁必須裹上多層“厚毯子”來吸收中子，并將其能量轉(zhuǎn)化為熱能，如冷卻劑里有液態(tài)金屬、水和氦氣，而中子倍增劑材料則是含鈹或鋼的化合物，等等。我國科學(xué)家最近利用鈹金屬自主研發(fā)制造出“人造太陽第一壁”，經(jīng)過特殊處理的高純度鈹直接面對反應(yīng)堆幾億攝氏度的高溫，向外依次為銅合金和不銹鋼材料，均采用特殊的工藝共同構(gòu)成隔熱防護結(jié)構(gòu)。

由此可見，金屬礦產(chǎn)特制的核聚變反應(yīng)堆包層材料，不但可以增殖氚以供燃料循環(huán)，還可以把中子能量轉(zhuǎn)化為熱能形式輸出，以及屏蔽保護磁體線圈和外圍環(huán)境。

> “人造太陽”20年內(nèi)對金屬礦產(chǎn)的需求量

06

“能源自由”在路上

可控核聚變的商業(yè)化應(yīng)用前景非常廣闊，目前各國政府加快實驗研究，商業(yè)資本快速推進落地，新時代加速到來，工業(yè)應(yīng)用越來越近。終極能源革命愿景即將呈現(xiàn)，新能源更環(huán)保、高效、便捷。實現(xiàn)“能源自由”不再遙不可及，家家戶戶能源充足，氣候不再人為變暖，星際旅行能量滿滿。

人工智能和超導(dǎo)應(yīng)用都將助力核聚變新能源事業(yè)，“人造太陽”將使人類命運更加光明和美好，詩和遠(yuǎn)方，藍天白云，碧水綠茵，重塑人們的美好家園。

科學(xué)家的智慧加上全社會的力量將敦促這一切早日變成現(xiàn)實。正如托卡馬克之父列夫·阿齊莫維奇（Lev Artsimovich）所說：“當(dāng)整個社會都需要的時候，聚變就會實現(xiàn)。”新時代將加速到來，實現(xiàn)“能源自由”的科技革命正在路上。

作者： 吳西順 王登紅

編輯： 張佳楠

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

官網(wǎng)： https://kpwhbjb.cgl.org.cn