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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，標志著國家可控核聚變工程化與商業(yè)化戰(zhàn)略進入新階段。從國家戰(zhàn)略上來說，該公司的成立標志著以國家意志為主導的投資三步走規(guī)劃正式成型：短期強化半導體與AI領域，中期以雅江水電站等超級工程推動基建升級，遠期則押注可控核聚變的能源革命爭奪科技主導權。

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-箍縮四條技術路線。兩種約束方式的不同代表了可控核聚變在約束時間和密度之間的權衡。

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)造新世界紀錄。

相比之下，美國國家點火裝置雖在2022年實現(xiàn)激光聚變點火實驗，但四次實驗只是其釋放能量大于單次驅(qū)動的激光能量，但遠小于整個系統(tǒng)的消耗電能。而且激光可控核聚變路線在原理上更側(cè)重軍事應用，同時在低成本生產(chǎn)點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。

盡管宣傳重點不同，中美在各技術路線均有布局。中美對于不同技術路線態(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托卡馬克路線上實現(xiàn)領先，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)化進程已掙脫“永遠50年”魔咒。根據(jù)我國路線圖，2035年將建成的聚變工程實驗堆有望在建設完成初期實現(xiàn)100~200MW的聚變功率輸出，在2050年前后并網(wǎng)供電。同時隨著民間資本加速涌入，初創(chuàng)可控核聚變公司能量奇點有望在2027年建成，以“能量增益Q>10”為目標的，全高溫超導托卡馬克裝置“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。該公司由中核集團牽頭組建，是其直屬二級單位。中國聚變公司將作為推進我國聚變工程化、商業(yè)化的創(chuàng)新主體，重點布局總體設計、技術驗證、數(shù)字化研發(fā)等業(yè)務，并建設技術研發(fā)平臺和資本運作平臺。自此，由中央牽頭的中長期投資計劃已經(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，加速推進半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并進一步加強在半導體和AI領域的研究；中期，以雅江水電站為代表的中央政府主導的超級工程項目，將引導中國實現(xiàn)面向下一個五十年的基礎設施升級需求；而遠期，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注可控核聚變？答案其實很簡單，因為可控核聚變商用早已經(jīng)脫離“永遠還要五十年”的魔咒，可能會在十多年內(nèi)就實現(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、材料學和動力革命，該產(chǎn)業(yè)的潛在收益將遠超電動汽車。

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”達到聚變點火條件，從而發(fā)生聚變反應。在慣性可控核聚變的眾多設想中，各國主要關注的可以分為兩個不同的技術路線：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照射一個微小的燃料靶丸（通常是氘－氚混合物），在極短時間內(nèi)將其壓縮到極高的溫度和密度，從而實現(xiàn)核聚變“點火”。

這一路線的代表是美國在20世紀90年代就開始建造的“國家點火裝置”（NIF），該裝置曾在2022年首次實現(xiàn)“聚變點火”，引發(fā)全球關注和討論。但當時輿論場的多數(shù)討論忽略了一個基礎事實：這次點火僅僅是輸出能量超過輸入到靶丸的能量，遠遠低于整個系統(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現(xiàn)持續(xù)可控核聚變也還很遠。這方面，中國也一直在跟進研究，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驗室的Z Pulsed Power Facility、中國的聚龍一號等。

Z-箍縮技術原理

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間高溫極高密度實現(xiàn)可控核聚變路線，磁約束是利用強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)，使其在足夠長時間內(nèi)保持高溫高密度，實現(xiàn)聚變反應。

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，兩者都是依靠強磁場把高溫等離子體限制在環(huán)形空間內(nèi)，實現(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責主約束作用，是用于抑制高溫等離子體在徑向的擴散、保證聚變反應持續(xù)和穩(wěn)定運行的物理核心。

在只有環(huán)向磁場時，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“螺旋結構”，使得等離子體粒子在三維空間中繞環(huán)做復雜運動，抑制粒子的垂直漂移和擴散，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，而仿星器通過復雜三維幾何設計的外部超導線圈直接產(chǎn)生所需的環(huán)向和極向磁場，幾乎無需依賴感應等離子體電流，理論上可實現(xiàn)無感應電流的穩(wěn)態(tài)運行。

托卡馬克與仿星器 圖片來源：IAEA

所以一般認為，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)是否能實現(xiàn)自持聚變反應（點火）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）、能量約束時間τ（單位為秒）的乘積。只有當聚變?nèi)朔e達到或超過某一閾值時，聚變反應才能實現(xiàn)自持燃燒。?

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

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。在計算中，需要考慮到，兩個粒子發(fā)生核反應的概率與粒子的動能高度相關，對于氘-氚（D-T）核反應來說，在14千電子伏特（keV）處反應概率最高（有效截面最大）。綜合工程以及包括等離子體的能量損失機制在內(nèi)的因素考慮，托卡馬克的T的設計值大約在10–20keV之間，在宏觀溫標下約為億開爾文級。

而當前激光聚變研究最關注的溫度范圍，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路線的根本差別體現(xiàn)在密度n與能量約束時間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反應為例。當聚變反應產(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間是我們當前時空尺度下的一分鐘，然后假設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間定義為“一秒”，那么在他的時空視角下，磁約束完成的時間是將達到近“2000年”。

短暫的約束時間使得慣性約束的密度n甚至需要達到每立方米10^31個粒子級別，才能達到實現(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為輻射、壓縮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。

不同技術路線對不同參數(shù)的取舍其實并不令人意外，因為追根溯源，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)關系更深，后文會有詳細論述。