文︱《中國報(bào)道》記者 李士萌

在春節(jié)檔熱映的電影《流浪地球2》中，人類計(jì)劃給地球安裝上萬座巨大的行星發(fā)動(dòng)機(jī)，推動(dòng)地球開啟“流浪之旅”，而為這一巨大機(jī)械提供動(dòng)力的則是重核聚變。

“雖然電影中通過燒石頭推動(dòng)核聚變的方案基本不可行，但人類如果要想走出地球，甚至完成星際旅行，地球上現(xiàn)有的石油、天然氣是不夠的，聚變能必不可少?！毙聤W能源研究院聚變技術(shù)研發(fā)中心聚變理論模擬首席科學(xué)家謝華生告訴《中國報(bào)道》記者，“聚變能屬于未來?！?/p>

1952年，世界上第一顆氫彈爆炸試驗(yàn)成功后，就有預(yù)言稱5年內(nèi)人類就可以實(shí)現(xiàn)可控核聚變。但直到去年12月，美國能源部下屬實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)核聚變激光“點(diǎn)火”，這個(gè)預(yù)言時(shí)間仍為“小于五六十年”?！白尯司圩兛煽夭⑸虡I(yè)化”，這一目標(biāo)人類還需要等待多久？問題的答案似乎正隨著核聚變研究成果的累積而一點(diǎn)點(diǎn)清晰起來。

臨界突破

可控核聚變發(fā)展至今日，似乎到了技術(shù)突破的臨界點(diǎn)。

聚變反應(yīng)是太陽內(nèi)部每時(shí)每刻都在進(jìn)行的反應(yīng)。從理論上講，相比現(xiàn)有的大亞灣核電站等核裂變發(fā)電站，核聚變?nèi)缒軐?shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電，其原料更為豐富，可從海水中獲取，并且因核聚變不產(chǎn)生長壽命的放射性廢物而更安全——而這正是現(xiàn)行核裂變核電站“令人頭疼”的一點(diǎn)。相比化學(xué)能，聚變能也更清潔、低碳、高效。

讓“太陽”變得可控并不容易，聚變能源每前進(jìn)一點(diǎn)，都會(huì)發(fā)現(xiàn)新的困難。雖然道路曲折，但近5年一些資本正陸續(xù)入局核聚變。據(jù)美國聚變工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，截至2022年年底，核聚變公司報(bào)告的私人承諾投資總額超過47億美元。

謝華生分析，資本紛紛入局一方面是碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)使然，人類可持續(xù)發(fā)展需要新能源；另一方面，高溫超導(dǎo)磁體、人工智能等重點(diǎn)技術(shù)以及近些年的物理研究取得重大進(jìn)步，讓投資人看到了核聚變技術(shù)突破的希望。

他指出，去年12月美國能源部下屬勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)國家點(diǎn)火設(shè)施(NIF)首次成功在可控核聚變反應(yīng)中“點(diǎn)火”，做到產(chǎn)生的能量大于輸入的能量，實(shí)現(xiàn)了“凈能量增益”，對聚變研究具有重要的歷史意義。

“原來美國高層的研究報(bào)告都認(rèn)為，NIF裝置不可能實(shí)現(xiàn)能量正增益，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎很多人的意料，這也讓很多對核聚變研究信心不足的人重新看到了希望，對中國的核聚變研究也是一種激勵(lì)。這說明一條技術(shù)路徑只要堅(jiān)持下去，就可能會(huì)有意外的驚喜?！敝x華生告訴《中國報(bào)道》記者。

聚變工業(yè)協(xié)會(huì) (FIA) 2022年的最新報(bào)告顯示，企業(yè)對聚變商業(yè)化的時(shí)間表越來越有信心。在接受調(diào)查的公司中，有93%認(rèn)為聚變將在2030年左右實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，高于2021年報(bào)告中的83%。

各國角力

中國的可控核聚變探索從21世紀(jì)初步伐加快。2006年，中國正式加入國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆項(xiàng)目（ITER）。該項(xiàng)目被稱為“世界上最大的核聚變項(xiàng)目”，在該項(xiàng)目中，除歐盟東道主外，其他成員國只需出資9%便可共享所有的知識產(chǎn)權(quán)?！斑@對中國來說是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。”謝華生說。同年，被譽(yù)為“人造太陽”的東方超環(huán)（EAST）正式建成，成為我國自行設(shè)計(jì)研制的國際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。

2021年4月13日，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）。

由于涉及多國合作、項(xiàng)目規(guī)模巨大，ITER一直進(jìn)展緩慢，但中國核聚變探索卻在飛速前進(jìn)?！霸诩尤隝TER項(xiàng)目的十幾年里，中國是增長最快的力量，已經(jīng)從跟跑、并跑，逐步進(jìn)入領(lǐng)跑階段?！敝x華生介紹，在單點(diǎn)技術(shù)上，中國甚至做到了國際領(lǐng)先。例如，2021年12月30日，EAST實(shí)現(xiàn)了1056秒超脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行。

總體而言，中國在國際主流的慣性約束和磁約束核聚變裝置方面均有布局。在慣性約束技術(shù)路徑上，主要由中國工程物理研究院（九院）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索。不過謝華生指出，由于慣性約束屬脈沖式發(fā)電，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)放電，以此技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電的可能性很低。

去年，美國便是通過慣性約束成功實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”，但在192束巨型激光轟擊下，聚變的原子核不過釋放出3.15兆焦耳的能量。“3兆焦耳約為一度電，現(xiàn)在的電價(jià)不超過2元一度，也就是說數(shù)萬美金起步的一次轟擊最后可能只能賣不到2元，并且激光射出一炮后，設(shè)備還需要清理和重新安裝聚變靶丸才能進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)，單次發(fā)電的性價(jià)比太低?！敝x華生說。因而，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、連續(xù)運(yùn)行的磁約束，成為主流的聚變能源裝置選擇，托卡馬克裝置是其中代表。

一位核聚變領(lǐng)域的投資人士告訴《中國報(bào)道》記者，現(xiàn)在可控核聚變綜合技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)的是美國，特別是在激光慣性約束領(lǐng)域。由國際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）統(tǒng)計(jì)的截至2021年的133個(gè)全球聚變裝置分布中，排名第一的是美國，其次是日本、俄羅斯和中國。

核心矛盾難突破

謝華生認(rèn)為，目前要想在可控核聚變上實(shí)現(xiàn)突破，最需要解決的核心矛盾不是各個(gè)約束方案，而是核聚變反應(yīng)本身無法在科學(xué)可行、工程可行和商業(yè)可行之間取得平衡。

他指出，目前從物理科學(xué)層面最容易發(fā)生反應(yīng)的是氘—氚聚變，但該方案在工程和商業(yè)層面很難實(shí)現(xiàn)。氚的資源有限，主要從裂變堆中產(chǎn)生，年產(chǎn)量約幾千克到幾十千克，如此產(chǎn)量即便一個(gè)規(guī)模稍大的聚變電站也維持不了，并且氚的半衰期短，具有一定放射性。反應(yīng)后的產(chǎn)物能量大都由極高能的中子攜帶，這些中子很容易打壞裝置，且暫沒有適合的材料進(jìn)行防護(hù)。

其他的反應(yīng)方案也尚有諸多短板，如氘—氦- 3依然存在原料問題，氦- 3在地球上的儲(chǔ)量有限，價(jià)格昂貴；氘—氘聚變雖原料充足，但同樣存在反應(yīng)產(chǎn)物高能中子會(huì)把裝置打壞的問題；氫—硼- 11聚變在商業(yè)化方面比較理想，原料充足，唯一的缺點(diǎn)是反應(yīng)發(fā)生的物理要求太高。

謝華生認(rèn)為，想要打破僵局，需要從工程和物理兩個(gè)層面同時(shí)著手，一方面是提高工程技術(shù)水平，另一方面要把物理約束做到極致。

雖然仍面臨諸多困難，但受訪者對核聚變的未來均保持樂觀。前述核聚變領(lǐng)域的投資人士告訴《中國報(bào)道》記者，未來，可控聚變能的實(shí)現(xiàn)方式不止一種。除了大型的聚變電站之外，還有一些小型化、低成本方案會(huì)有很大的發(fā)展空間，例如一些磁鏡、場反位形等線性裝置。

謝華生在參加核聚變國際會(huì)議時(shí)觀察到，國外的參會(huì)者大多五六十歲，而中國更多的是年輕人。某高校的核聚變領(lǐng)域博士生也告訴《中國報(bào)道》記者，在選擇專業(yè)時(shí)，核聚變相對于核專業(yè)的其他方向更受歡迎。

“中國核聚變追趕世界前沿的勢頭非常猛，但原始創(chuàng)新能力仍需加強(qiáng)，未來是否有可能提出一個(gè)全新的聚變方案，實(shí)現(xiàn)彎道超車或者引領(lǐng)世界，值得期待?！敝x華生表示。