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中國聚變能源有限公司于7月22日在上海正式成立，標(biāo)志著國家可控核聚變工程化與商業(yè)化戰(zhàn)略進(jìn)入新階段。從國家戰(zhàn)略上來說，該公司的成立標(biāo)志著以國家意志為主導(dǎo)的投資三步走規(guī)劃正式成型：短期強(qiáng)化半導(dǎo)體與AI領(lǐng)域，中期以雅江水電站等超級工程推動基建升級，遠(yuǎn)期則押注可控核聚變的能源革命爭奪科技主導(dǎo)權(quán)。

現(xiàn)在可控核聚變主要分為磁約束和慣性約束兩類，最具有代表性的包括磁約束路線的托卡馬克和仿星器以及慣性約束的激光聚變和Z-箍縮四條技術(shù)路線。兩種約束方式的不同代表了可控核聚變在約束時(shí)間和密度之間的權(quán)衡。

其中托卡馬克路線因工程成熟度最高成為全球主流，而在這個領(lǐng)域中國已經(jīng)取得重大突破。“中國環(huán)流三號”裝置于2025年實(shí)現(xiàn)原子核溫度1.17億攝氏度與電子溫度1.6億攝氏度的“雙億度”里程碑，距離“能量增益Q>1”的目標(biāo)越來越近；“東方超環(huán)”裝置首次完成1億攝氏度1000秒“高質(zhì)量燃燒”，創(chuàng)造新世界紀(jì)錄。

相比之下，美國國家點(diǎn)火裝置雖在2022年實(shí)現(xiàn)激光聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，但四次實(shí)驗(yàn)只是其釋放能量大于單次驅(qū)動的激光能量，但遠(yuǎn)小于整個系統(tǒng)的消耗電能。而且激光可控核聚變路線在原理上更側(cè)重軍事應(yīng)用，同時(shí)在低成本生產(chǎn)點(diǎn)火靶丸和激光高頻驅(qū)動上面臨挑戰(zhàn)，商業(yè)化路線不如托卡馬克明晰。

盡管宣傳重點(diǎn)不同，中美在各技術(shù)路線均有布局。中美對于不同技術(shù)路線態(tài)度上的溫差其中部分原因來自稀土。中國擁有稀土資源優(yōu)勢，未來有望在全高溫超導(dǎo)托卡馬克路線上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)先，而美國部分企業(yè)近年來則更加側(cè)重宣傳不依賴高性能磁鐵的慣性約束路線。

現(xiàn)在可控核聚變的商業(yè)化進(jìn)程已掙脫“永遠(yuǎn)50年”魔咒。根據(jù)我國路線圖，2035年將建成的聚變工程實(shí)驗(yàn)堆有望在建設(shè)完成初期實(shí)現(xiàn)100~200MW的聚變功率輸出，在2050年前后并網(wǎng)供電。同時(shí)隨著民間資本加速涌入，初創(chuàng)可控核聚變公司能量奇點(diǎn)有望在2027年建成，以“能量增益Q>10”為目標(biāo)的，全高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置“洪荒-170”。人類終極能源革命曙光初現(xiàn)。

【文/觀察者網(wǎng) 唐曉甫】

7月22日，中國聚變能源有限公司掛牌成立大會在滬舉行。該公司由中核集團(tuán)牽頭組建，是其直屬二級單位。中國聚變公司將作為推進(jìn)我國聚變工程化、商業(yè)化的創(chuàng)新主體，重點(diǎn)布局總體設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證、數(shù)字化研發(fā)等業(yè)務(wù)，并建設(shè)技術(shù)研發(fā)平臺和資本運(yùn)作平臺。自此，由中央牽頭的中長期投資計(jì)劃已經(jīng)明確：

短期內(nèi)，我國將延續(xù)自2014年6月開始布局的國家大基金路徑，加速推進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并進(jìn)一步加強(qiáng)在半導(dǎo)體和AI領(lǐng)域的研究；中期，以雅江水電站為代表的中央政府主導(dǎo)的超級工程項(xiàng)目，將引導(dǎo)中國實(shí)現(xiàn)面向下一個五十年的基礎(chǔ)設(shè)施升級需求；而遠(yuǎn)期，國家將繼續(xù)大力投入以可控核聚變?yōu)榇淼哪茉锤锩屩袊谖磥淼母偁幹蝎@得更大的科技競爭優(yōu)勢。

不少人可能會問，可控核聚變不是總說還有五十年嗎？為什么我們?nèi)绱思逼鹊仃P(guān)注可控核聚變？答案其實(shí)很簡單，因?yàn)榭煽睾司圩兩逃迷缫呀?jīng)脫離“永遠(yuǎn)還要五十年”的魔咒，可能會在十多年內(nèi)就實(shí)現(xiàn)初步商用?，F(xiàn)在談可控核聚變和2000年初布局電動汽車技術(shù)類似，但唯一不同的是，一旦走通了這條路，以可控核聚變帶來的能源、材料學(xué)和動力革命，該產(chǎn)業(yè)的潛在收益將遠(yuǎn)超電動汽車。

可控核聚變不止于托卡馬克一條路線

大多數(shù)朋友聽說過可控核聚變，但對于可控核聚變的具體路線可能知之甚少。簡單來說，可控核聚變主要分為兩條路線：慣性約束與磁約束。

四種可控核聚變路線，左上為托卡馬克裝置（中國環(huán)流三號）；右上為仿星器裝置（Wendelstein 7-X）；左下為激光可控核聚變裝置（國家點(diǎn)火裝置）；右下為Z-箍縮裝置（Z Pulsed Power Facility）

慣性約束的核心思想是利用激光或粒子束等方式在極短時(shí)間內(nèi)，把微小燃料靶丸（通常是氘－氚混合物）壓縮到極高的溫度和密度，使其在自身慣性的“瞬間”達(dá)到聚變點(diǎn)火條件，從而發(fā)生聚變反應(yīng)。在慣性可控核聚變的眾多設(shè)想中，各國主要關(guān)注的可以分為兩個不同的技術(shù)路線：激光可控核聚變和Z-箍縮（Z-Pinch）裝置。

前者主要通過多束高能激光從各個方向同時(shí)照射一個微小的燃料靶丸（通常是氘－氚混合物），在極短時(shí)間內(nèi)將其壓縮到極高的溫度和密度，從而實(shí)現(xiàn)核聚變“點(diǎn)火”。

這一路線的代表是美國在20世紀(jì)90年代就開始建造的“國家點(diǎn)火裝置”（NIF），該裝置曾在2022年首次實(shí)現(xiàn)“聚變點(diǎn)火”，引發(fā)全球關(guān)注和討論。但當(dāng)時(shí)輿論場的多數(shù)討論忽略了一個基礎(chǔ)事實(shí)：這次點(diǎn)火僅僅是輸出能量超過輸入到靶丸的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于整個系統(tǒng)的總能耗（包括激光產(chǎn)生、制冷、轉(zhuǎn)換等全系統(tǒng)輸入能量）。

即便不考慮中子輻照、靶丸生產(chǎn)等一系列問題，僅就能量輸出方面，激光可控核聚變路線距離真正實(shí)現(xiàn)持續(xù)可控核聚變也還很遠(yuǎn)。這方面，中國也一直在跟進(jìn)研究，其中的代表就是“神光1、2、3”號。

第二條路線是Z-箍縮路線，一種利用強(qiáng)脈沖電流通過等離子體本身所產(chǎn)生的磁場，把等離子體束縛并徑向壓縮到高溫高密狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)核聚變的物理方法。這一路線的代表是美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的Z Pulsed Power Facility、中國的聚龍一號等。

Z-箍縮技術(shù)原理

筆者曾在多年前見過中國的激光聚變和Z-箍縮裝置，至今對它們記憶猶新。

相比于慣性約束，現(xiàn)在各國投入更多的是磁約束方式，磁約束又分托卡馬克、仿星器、場反位形、磁鏡等，其中托卡馬克是主流方向。相比于慣性約束的短時(shí)間高溫極高密度實(shí)現(xiàn)可控核聚變路線，磁約束是利用強(qiáng)大的磁場把高溫等離子體（如氘、氚氣體的等離子體）限制在空間內(nèi)，使其在足夠長時(shí)間內(nèi)保持高溫高密度，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。

從原理上來說，托卡馬克路線和仿星器路線既有相似之處也有不同之處。相同之處在于，兩者都是依靠強(qiáng)磁場把高溫等離子體限制在環(huán)形空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)可控核聚變。

但最顯著的不同在于磁場。一般來說，磁約束可控核聚變的磁場可以分為環(huán)向和極向磁場，其中環(huán)向磁場在可控核聚變中負(fù)責(zé)主約束作用，是用于抑制高溫等離子體在徑向的擴(kuò)散、保證聚變反應(yīng)持續(xù)和穩(wěn)定運(yùn)行的物理核心。

在只有環(huán)向磁場時(shí)，帶電粒子會（因曲率漂移和梯度漂移）整體產(chǎn)生垂直漂移，難以實(shí)現(xiàn)長期約束。所以需要加入極向磁場，讓磁場線變成“螺旋結(jié)構(gòu)”，使得等離子體粒子在三維空間中繞環(huán)做復(fù)雜運(yùn)動，抑制粒子的垂直漂移和擴(kuò)散，提高等離子體的穩(wěn)定性和能量約束。

由于托卡馬克幾何外形更加簡單，極向磁場主要由等離子體環(huán)向電流產(chǎn)生，外部極向場線圈用于形狀與位置控制，而仿星器通過復(fù)雜三維幾何設(shè)計(jì)的外部超導(dǎo)線圈直接產(chǎn)生所需的環(huán)向和極向磁場，幾乎無需依賴感應(yīng)等離子體電流，理論上可實(shí)現(xiàn)無感應(yīng)電流的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

托卡馬克與仿星器 圖片來源：IAEA

所以一般認(rèn)為，盡管托卡馬克路線目前很流行，但仿星器仍有可能在某一天成為未來聚變能電廠的選擇。

慣性約束和磁約束究竟差距有多大。這里我們可以引入一個至關(guān)重要的概念，也就是聚變?nèi)朔e，從數(shù)據(jù)的角度直觀感受不同路線之間的差別。所謂聚變?nèi)朔e就是衡量聚變系統(tǒng)是否能實(shí)現(xiàn)自持聚變反應(yīng)（點(diǎn)火）和能量增益的基本判據(jù)，也就是等離子體中離子密度n（公式中密度的單位通常為每立方米粒子數(shù)）、溫度T（單位為千電子伏特，1電子伏特約等于11605K）、能量約束時(shí)間τ（單位為秒）的乘積。只有當(dāng)聚變?nèi)朔e達(dá)到或超過某一閾值時(shí)，聚變反應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)自持燃燒。?

在此需要補(bǔ)充一點(diǎn)，那就是根據(jù)分子運(yùn)動理論，理想氣體中，每個粒子的平均動能與溫度的關(guān)系是：

于是，我們可以將等離子體溫度理解為等離子的平均動能代入聚變?nèi)朔e。在計(jì)算中，需要考慮到，兩個粒子發(fā)生核反應(yīng)的概率與粒子的動能高度相關(guān)，對于氘-氚（D-T）核反應(yīng)來說，在14千電子伏特（keV）處反應(yīng)概率最高（有效截面最大）。綜合工程以及包括等離子體的能量損失機(jī)制在內(nèi)的因素考慮，托卡馬克的T的設(shè)計(jì)值大約在10–20keV之間，在宏觀溫標(biāo)下約為億開爾文級。

而當(dāng)前激光聚變研究最關(guān)注的溫度范圍，則是3.5-6.5keV范圍內(nèi)，這一溫度雖然低于10keV，但是同時(shí)也意味著兩條路線之間在等離子宏觀溫度上沒有顯著的數(shù)量級差距。所以從工程角度看，磁約束和慣性約束兩條技術(shù)路線的根本差別體現(xiàn)在密度n與能量約束時(shí)間τ之間的取舍。

慣性約束裝置與磁約束裝置對比 圖片來源：“淺談激光聚變”

現(xiàn)在磁約束路線的有效約束時(shí)間一般為秒至分鐘量級，以理想狀態(tài)等離子體溫度為10keV（宏觀約為1.1億度）的D-T反應(yīng)為例。當(dāng)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于輸入的能量（即Q>1），nτ≥10^20(s/m^3)，這使得n的數(shù)值需要達(dá)到至少接近每立方米10^20個粒子級別。

以激光可控核聚變路線為代表的慣性約束驅(qū)動源的脈寬長度只有十幾個納秒（10^-8秒），有效約束時(shí)間甚至為百皮秒量級（10^-10秒）。假定磁約束可控核聚變有效時(shí)間是我們當(dāng)前時(shí)空尺度下的一分鐘，然后假設(shè)有個人從慣性約束角度觀察磁約束聚變，并把慣性約束的有效時(shí)間定義為“一秒”，那么在他的時(shí)空視角下，磁約束完成的時(shí)間是將達(dá)到近“2000年”。

短暫的約束時(shí)間使得慣性約束的密度n甚至需要達(dá)到每立方米10^31個粒子級別，才能達(dá)到實(shí)現(xiàn)聚變的門檻。而這一密度已經(jīng)是正常固體的原子數(shù)密度的1000倍左右，要知道，固體密度和氣體的密度差距大多也在1000倍這個數(shù)量級上。而且慣性約束過程中會因?yàn)檩椛洹嚎s能量傳遞等多方面問題造成大量能量損失。這使得慣性約束路線實(shí)現(xiàn)Q>1所需要的nτ值≥10^22（s/m^3），相比于磁約束大兩個數(shù)量級。

不同技術(shù)路線對不同參數(shù)的取舍其實(shí)并不令人意外，因?yàn)樽犯菰?，兩者的研究初衷有本質(zhì)不同。簡單來說，磁約束聚變路線在其提出之初就幾乎是完全民用，而慣性約束路線的提出與核武器研發(fā)關(guān)系更深，后文會有詳細(xì)論述。