寇書萌 張瀚舟

上海市發(fā)展改革研究院

0 引言

2022 年4 月印發(fā)的國家《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出，以更安全、更高效、更經(jīng)濟(jì)為主要特征的新一代核能技術(shù)及其多元化應(yīng)用，是全球核能科技創(chuàng)新主要方向?？煽睾司圩冏鳛楹四艿拈_發(fā)方式之一，相比核裂變?cè)诎踩?、綠色、能量密度等方面更有優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“理想的未來能源”。以美歐為代表的世界科技強(qiáng)國持續(xù)攻關(guān)可控核聚變技術(shù)，近兩年，技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)入高度活躍期，各項(xiàng)突破性成果、先進(jìn)模式集中涌現(xiàn)，民營科技公司也嘗試涉足該領(lǐng)域。雖然核聚變從“不可控”到“可控”再到“商業(yè)化”還需要攻克大量難題，但這也恰好給了上海一個(gè)前瞻布局該領(lǐng)域的機(jī)會(huì)。研究認(rèn)為，上海應(yīng)把握可控核聚變技術(shù)發(fā)展窗口期，依托自身優(yōu)勢(shì)在相對(duì)成熟的環(huán)節(jié)形成關(guān)鍵點(diǎn)突破。

1 可控核聚變技術(shù)持續(xù)突破，行業(yè)關(guān)注度持續(xù)提高

1.1 可控核聚變是實(shí)現(xiàn)能源安全、綠色、經(jīng)濟(jì)供給的理想選擇

可控核聚變是在特定條件下控制核聚變的速度和規(guī)模，實(shí)現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出的核聚變反應(yīng)。根據(jù)控制等離子體的方式不同，有引力約束、慣性約束和磁約束等三種技術(shù)路線。其中，引力約束在地球上無法實(shí)現(xiàn)，慣性約束由于電-激光轉(zhuǎn)化損耗極高暫不具備開發(fā)前景，相較之下，磁約束能量轉(zhuǎn)化效率更高，是更具發(fā)展?jié)摿Α⒏墒斓穆肪€，目前主流的磁約束裝置是環(huán)流器，又稱托卡馬克（TOKAMAK）。

1）可控核聚變具有多重優(yōu)勢(shì)

（1）安全可靠

燃料供應(yīng)有保障，核聚變消耗的氘大量存在于海洋中，粗略估算海水蘊(yùn)含的氘可供人類使用百億年。國際原子能機(jī)構(gòu)表示，可控核聚變?cè)谶\(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)類似裂變型的事故或核熔毀的“失控”鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

（2）環(huán)境友好

氘氚核聚變反應(yīng)的產(chǎn)物是惰性氦，不產(chǎn)生高放射性、長壽命的核廢物，也不會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體或者溫室氣體。

（3）經(jīng)濟(jì)性明顯

據(jù)測(cè)算，相比滿足每年全球一次能源消耗需要98萬t天然鈾、1 451個(gè)三峽電站、200億tce,聚變僅需消耗一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)泳池的重水，考慮到重水價(jià)格每克不足千元，聚變電站每年的重水消耗量?jī)H為克級(jí)水平，遠(yuǎn)少于裂變電站。

（4）能量密度高

1 t氘氚聚變反應(yīng)釋放的能量，相當(dāng)于5.7 t裂變?nèi)剂匣?00 萬t 原油燃燒釋放的能量。地球上蘊(yùn)藏的核聚變能約為全部可進(jìn)行核裂變?cè)蒯尦瞿芰康? 000萬倍。

2）可控核聚變技術(shù)目前仍處于“從0 到1”的基礎(chǔ)研究階段

自20 世紀(jì)60 年代啟動(dòng)可控核聚變研究以來，包括我國在內(nèi)的世界各科技強(qiáng)國持續(xù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，理論模型層面已推演了三代，但目前尚未走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入到商業(yè)化發(fā)展階段。國家科技部等九部門聯(lián)合印發(fā)的《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030 年）》中提及了一系列低碳零碳負(fù)碳技術(shù)，將可控核聚變技術(shù)歸為“前沿顛覆性低碳技術(shù)”范疇。

1.2 近兩年新動(dòng)向：國內(nèi)外競(jìng)相涌現(xiàn)“里程碑”式科技成果

1）從全球看，美國引領(lǐng)著國際聚變能源的發(fā)展方向

（1）已繪制核聚變發(fā)電廠路線圖

2021年，美國國家科學(xué)院、工程和醫(yī)學(xué)院在《將核聚變引入美國電網(wǎng)》（Bringing Fusion to the US Grid）中提出2035 至2040 年間實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電入網(wǎng)的目標(biāo)。

（2）核聚變點(diǎn)火取得階段性成果

2022 年12 月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在不考慮電能轉(zhuǎn)化損耗情況下，首次實(shí)現(xiàn)了可控核聚變凈能量增益，Q 值達(dá)到1.53，這讓慣性約束核聚變的科學(xué)基礎(chǔ)得到證實(shí)1即裝置的能量輸出大于輸入?？茖W(xué)界運(yùn)用“能量增益倍數(shù)”指標(biāo)衡量聚變裝置性能，簡(jiǎn)稱Q值，理論上當(dāng)Q值大于1時(shí)，聚變具有商業(yè)價(jià)值。

（3）先行探索商業(yè)化聚變發(fā)電

美國Commonwealth Fusion Systems（CFS）是深度挖掘聚變發(fā)電商業(yè)化潛力的全球先驅(qū)，率先提出了聚變裝置小型化的技術(shù)路線，計(jì)劃于2025年建成10 倍能量增益、體積僅為ITER 2%～3%的高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置（SPARC），在2030 年建成全球首個(gè)小型可控核聚變示范電站2國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）是世界上最大的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，體積接近北京天壇祈年殿，高30 m、直徑30 m、重達(dá)2.3萬t。

2）從我國看，核聚變相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展勢(shì)頭迅猛，技術(shù)水平躋身國際第一方陣

（1）研究機(jī)構(gòu)領(lǐng)銜磁約束聚變裝置研發(fā)

我國是全球范圍內(nèi)少數(shù)幾個(gè)能夠獨(dú)立開展可控核聚變技術(shù)研究和聚變裝置組建的國家之一。中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所和中國核工業(yè)集團(tuán)西南物理研究院先后建成了“合肥超環(huán)-7”（HT-7）、“東方超環(huán)”（EAST）、“中國環(huán)流器二號(hào)A”（HL-2A）等多臺(tái)磁約束聚變裝置。

（2）在先進(jìn)運(yùn)行模式上取得重要科研進(jìn)展

今年1 月7 日，“東方超環(huán)（EAST）”的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)并證明了一種無需通過外部控制來確保長時(shí)間尺度上高性能等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的全新高能量約束模式，對(duì)于未來聚變堆運(yùn)行具有重要意義。

（3）國產(chǎn)裝置發(fā)電時(shí)長攀登新高峰

2021 年末，EAST 裝置的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行時(shí)長打破世界紀(jì)錄，標(biāo)志著我國核聚變研發(fā)距離點(diǎn)火邁進(jìn)重要一步。

3）上海市具備推動(dòng)核聚變技術(shù)向商用試點(diǎn)邁進(jìn)的條件

（1）政策支持引導(dǎo)不斷強(qiáng)化

2022 年相繼出臺(tái)加強(qiáng)前沿和顛覆性低碳技術(shù)創(chuàng)新的若干政策，為可控核聚變等新一代核能技術(shù)攻關(guān)提供了政策引導(dǎo)。

（2）依托“獨(dú)角獸”企業(yè)，以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化為目標(biāo)的聚變能源示范項(xiàng)目與人才團(tuán)隊(duì)落滬

能量奇點(diǎn)能源科技公司是國內(nèi)第一家致力于探索聚變能源商業(yè)化的民營企業(yè)，團(tuán)隊(duì)集聚了多位來自國內(nèi)外頂級(jí)科研院所的技術(shù)專家，目前已在臨港研發(fā)和建設(shè)全球首臺(tái)基于全高溫超導(dǎo)磁體的緊湊型托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置HH70，計(jì)劃于2024 年內(nèi)建成運(yùn)行并點(diǎn)亮等離子體3類似于縮小版的SPARC，直徑約3 m。到2027 年，該公司計(jì)劃建成運(yùn)行最高磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到20T TF 的HH200 裝置，實(shí)現(xiàn)10倍能量增益。全球、全國、上?？煽睾司圩冎饕l(fā)展情況比較（見表1）。

2 核聚變“可控”和“商業(yè)化”依然道阻且長

科爾尼管理咨詢?cè)?023 年1 月發(fā)布的《未來五年的全球五大趨勢(shì)》報(bào)告中指出，“核聚變技術(shù)需要幾十年的時(shí)間才能取得規(guī)模性的商業(yè)運(yùn)用，各類挑戰(zhàn)將繼續(xù)阻礙核能源在未來五年內(nèi)作為替代性可再生能源的進(jìn)程”。換而言之，雖然可控核聚變加速演進(jìn)在全球范圍內(nèi)持續(xù)取得重要進(jìn)展，但現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展仍處于培育期，真正實(shí)現(xiàn)“可控”和“商業(yè)化”還需攻克技術(shù)、材料、工程等多重難題，短期內(nèi)對(duì)保障能源安全和應(yīng)對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)有限，未來也還存在諸多不確定性，具體可以從四個(gè)方面分析。

2.1 技術(shù)層面：難以創(chuàng)造極端苛刻的反應(yīng)條件

相比核裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)核聚變可控需要滿足一系列極其苛刻的外部條件，實(shí)現(xiàn)其中的每一個(gè)條件都是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，這些條件包括極高的燃燒溫度、超強(qiáng)的燃燒壓力以及連續(xù)約束時(shí)間等，只要有微小的變量偏差，反應(yīng)就會(huì)立即中止。在溫度方面，在地球上創(chuàng)造聚變需要施加大約1 億℃高溫才能將兩個(gè)原子核變成等離子體，該溫度相當(dāng)于太陽核心溫度的10倍，這對(duì)反應(yīng)容器的耐受溫度提出極限挑戰(zhàn)。在持續(xù)運(yùn)行時(shí)長方面，如今核裂變電站已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全年穩(wěn)定運(yùn)行，核聚變至少需要做到穩(wěn)定運(yùn)行240 h 才具備商業(yè)價(jià)值，而當(dāng)前最高紀(jì)錄是EAST 創(chuàng)造的1.2億℃101 s。

2.2 材料層面：完全支撐聚變反應(yīng)的關(guān)鍵材料研制仍壁壘高筑

一方面，超導(dǎo)材料因在特定溫度條件下呈現(xiàn)出電阻等于零、排斥磁力線的特點(diǎn)，能夠?yàn)榉磻?yīng)提供更強(qiáng)磁場(chǎng)，進(jìn)而縮小托卡馬克裝置體積，理論上是適應(yīng)聚變環(huán)境的理想材料。2020年10月，美國麻省理工學(xué)院（MIT）相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在使用了新型高溫超導(dǎo)材料后，其設(shè)計(jì)的SPARC 反應(yīng)堆能夠達(dá)到與ITER 同等級(jí)別的性能指標(biāo)，而體積僅是后者的2%。但高溫超導(dǎo)材料具有力學(xué)性能差、不易加工等特點(diǎn)，以其中綜合性能相對(duì)較好的釔鋇銅氧（YBCO）為例，本質(zhì)上是一種陶瓷，在巨大電磁力之下表現(xiàn)得異常脆弱。另一方面，產(chǎn)氚包層是聚變堆實(shí)現(xiàn)氚自持和發(fā)電的堆芯核心部件之一，目前的優(yōu)勢(shì)氚增殖劑材料填充率有限及無法自由調(diào)控，嚴(yán)重影響包層結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。因此，從短期來看，完全適應(yīng)和支撐核聚變反應(yīng)的關(guān)鍵材料明顯存在短板。

2.3 工程層面：距離實(shí)現(xiàn)具備商業(yè)價(jià)值的凈能量增益仍然遙遠(yuǎn)

美國NIF 選擇慣性約束路線首次實(shí)現(xiàn)可控核聚變Q值大于1引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，但是“凈能量增益”掩蓋了電光能轉(zhuǎn)換效率極低的問題。僅從激光輸入輸出環(huán)節(jié)看，高能激光器向目標(biāo)輸入2.05 MJ能量，產(chǎn)生了3.15 MJ 的能量輸出，凈能量增益為1.53，但如果向前追溯產(chǎn)生激光消耗的能量，實(shí)際全流程Q 值不足0.02。并且，從科學(xué)層面可行到工程和商業(yè)層面可行，還存在著巨大鴻溝。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)專家判斷，Q 值至少需達(dá)到10 以上才有商用意義，中核集團(tuán)則認(rèn)為至少要超過30。據(jù)國防科工局有關(guān)人士研判，Q 值至少達(dá)到4 至6 才能將聚變轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電力輸出，但即便是相對(duì)先進(jìn)的磁約束路線的Q值最高紀(jì)錄也僅為0.67。

3 相關(guān)建議

可控核聚變堪稱“科技和能源雙料皇冠上的明珠”，雖然尚處于較為早期的基礎(chǔ)研究階段，卻已成為各國競(jìng)爭(zhēng)追逐的熱點(diǎn)，未來或?qū)⒊蔀橹貥?gòu)全球創(chuàng)新版圖的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。上海正值“科創(chuàng)中心”功能升級(jí)階段，建議采取面上布局、點(diǎn)上突破的方式，搶占制高點(diǎn)，引領(lǐng)可控核聚變技術(shù)發(fā)展。

3.1 前瞻布局，聚焦高溫超導(dǎo)、先進(jìn)物理、人工智能等關(guān)鍵點(diǎn)開展技術(shù)攻關(guān)和商業(yè)模式探索

可控核聚變是復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及高溫超導(dǎo)材料、等離子體物理、深度學(xué)習(xí)和人工智能、系統(tǒng)控制等眾多高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、跨區(qū)域特征明顯。高溫超導(dǎo)、先進(jìn)物理、人工智能是推動(dòng)可控核聚變技術(shù)突破的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力和先行領(lǐng)域，也是上海逐漸積累起來具備潛在優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域。其中，高溫超導(dǎo)材料既是可控核聚變實(shí)驗(yàn)中先行采購、大量消耗的材料，也是超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)風(fēng)機(jī)和超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的重要組成部分，具有廣

闊和可落地的商業(yè)場(chǎng)景，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期階段，未來5 年復(fù)合年均增長率（CAGR）將達(dá)到115.7%，有望撬動(dòng)百億級(jí)市場(chǎng)空間4數(shù)據(jù)來源：Marketwatch。上海電纜研究所是國內(nèi)二代高溫超導(dǎo)開發(fā)與應(yīng)用方面的領(lǐng)先單位，也是能量奇點(diǎn)等公司的材料供應(yīng)商，研制的超導(dǎo)帶材料具有抗輻照能力強(qiáng)、超薄基帶、機(jī)械性能佳等優(yōu)勢(shì)。建議支持類似科研機(jī)構(gòu)或科技企業(yè)率先探索由可控核聚變賦能的新生產(chǎn)和服務(wù)模式，提升超導(dǎo)材料等前沿新材料的創(chuàng)新策源能力和自主保障能力，為可控核聚變重大工程和能源領(lǐng)域需求提供有力支撐。

3.2 政府清障，在可控核聚變技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)規(guī)則框架建立上未雨綢繆

可控核聚變及其產(chǎn)業(yè)鏈上的前瞻技術(shù)將極大地改變?nèi)藗儗?duì)現(xiàn)行能源管理體系和運(yùn)行模式的認(rèn)知，需要構(gòu)建與之相適應(yīng)的規(guī)則和秩序體系。政府相關(guān)部門既要做好可控核聚變知識(shí)的宣傳和普及工作，提升全社會(huì)普遍認(rèn)知度和接受度，還要針對(duì)核能環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)法律規(guī)制進(jìn)程滯后、聚變能在標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)、認(rèn)證等方面存在空白和管理缺位的問題，加強(qiáng)研究?jī)?chǔ)備，探索適時(shí)出臺(tái)相關(guān)法律法規(guī)和規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)，為可控核聚變技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展創(chuàng)造適宜的政策環(huán)境。

3.3 市場(chǎng)運(yùn)作，在關(guān)鍵窗口期做好“兩個(gè)關(guān)注”

可控核聚變已進(jìn)入技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵窗口期，建議上海市在可控核聚變等前沿技術(shù)的創(chuàng)新體系開發(fā)上，充分發(fā)揮市場(chǎng)的主導(dǎo)作用，各類市場(chǎng)主體需對(duì)技術(shù)動(dòng)向保持高度敏銳力，做好“兩個(gè)關(guān)注”。一是關(guān)注技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及其內(nèi)在的需求牽引，融合人工智能、新材料、新業(yè)態(tài)等找準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的切入點(diǎn)。二是關(guān)注新興投資模式的形成。傳統(tǒng)的能源技術(shù)攻關(guān)和示范項(xiàng)目建設(shè)普遍以政府財(cái)力支持和國有企業(yè)具體承擔(dān)為主，但在可控核聚變領(lǐng)域，國內(nèi)外均出現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)投資基金、主權(quán)財(cái)富基金、養(yǎng)老基金和大學(xué)捐贈(zèng)基金等各類投資主體積極參與的景象，產(chǎn)業(yè)鏈多個(gè)環(huán)節(jié)上民間資本的投資總額已超過政府投資，成為聚變能源技術(shù)探索的關(guān)鍵推動(dòng)力，應(yīng)善加引導(dǎo)和利用。