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中美技術(shù)路線真的有不同嗎？

由于NIF在2022年那次的“點火”實驗過于出圈，不少人以為中國主要采用的是托卡馬克實現(xiàn)可控核聚變，而美國人主要采用激光點火路線實現(xiàn)可控核聚變，但這是不準確乃至錯誤的。

從現(xiàn)有情況看，我們基本可以認為，中美在所有技術(shù)路線及聚變－裂變混合堆領(lǐng)域都在進行技術(shù)嘗試。

在磁約束核聚變方面，毫無疑問全球排名第一的方向就是托卡馬克路線。無論是國際上最重要的示范堆ITER還是中國的東方超環(huán)（EAST）、中國環(huán)流三號（HL-3），抑或美國能源部支持、位于普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的國家球形托卡馬克實驗（NSTX/NSTX-U）和源于麻省理工學(xué)院的聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司（CFS）均為托卡馬克裝置（磁約束聚變）。

從短期看，隨著位于四川成都的新一代人造太陽HL-3在3月28日首次實現(xiàn)離子溫度與電子溫度均突破1億攝氏度（其中離子溫度1.17億攝氏度、電子溫度1.6億攝氏度的參數(shù)水平），其有望在未來5年內(nèi)以技術(shù)調(diào)整而非大規(guī)模升級的方式，在國內(nèi)首次開展氘氚實驗，實現(xiàn)可觀的聚變功率輸出。在未來中國國內(nèi)的主流可控核聚變裝置發(fā)展路徑也會主要沿著托卡馬克的發(fā)展路徑推進。

而在我們談?wù)摷す饪煽睾司圩兊臅r候，必須要考慮激光可控核聚變的軍事背景。從前文的原理描述中，可以清晰察覺到，其設(shè)計之初就有極其濃厚的軍事因素。

這是因為，雖然大國對于核反應(yīng)以及核武器都有較深研究，但是相關(guān)研究的經(jīng)驗成分相當(dāng)高，核反應(yīng)過程具有高度模糊性。所以大國都希望可以通過可控核聚變更精確地還原聚變的每一個過程，以更加優(yōu)化原有的核武器，尤其是氫彈的設(shè)計路線。

或者更直白地說，如果能徹底搞清楚激光可控核聚變，并將其工程化，其相關(guān)數(shù)據(jù)分析將極大地加速新一代核武器，尤其是非原子彈扳機的氫彈（干凈核武器）設(shè)計進度。

以美國的NIF為例，其位于勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）。該實驗室由美國能源部國家核安全局（NNSA, National Nuclear Security Administration）管理。而NNSA是美國能源部內(nèi)負責(zé)核武器安全、核材料管控、核不擴散等事務(wù)的半獨立機構(gòu)，直接服務(wù)于美國的核武器項目。

而一旦追根溯源，我們就會發(fā)現(xiàn)，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室與著名的洛斯阿拉莫斯國家實驗室是美國兩大為了核武設(shè)計而建立的機構(gòu)。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室1952年由加州大學(xué)伯克利分校建立，原為勞倫斯伯克利國家實驗室的分支實驗室，1971年才成為獨立實驗室、歸加州大學(xué)管轄。

與核武器高度相關(guān)的特點使其在民用應(yīng)用領(lǐng)域具有天然劣勢，在原子彈尚處于管控狀態(tài)的今天，大規(guī)模商用可以直接為氫彈設(shè)計提供參數(shù)和原理驗證的核裝置明顯不合時宜。出于國家安全考慮，短期內(nèi)，我們很難想象，由國防產(chǎn)業(yè)和軍隊主導(dǎo)的激光可控核聚變裝置會成為商用路線首選。這一點無論在哪個國家都是一樣。

所以即使忽略靶丸成本因素，激光可控核聚變也會因政治與安全因素降低商用優(yōu)先級。再考慮到Z-箍縮本身不是一種主流的發(fā)展方式，并且對于等離子體控制、超大電流負載等方面提出了極高的要求。因此可以得出一個結(jié)論：全球可控核聚變實現(xiàn)的關(guān)鍵在于磁約束聚變，實現(xiàn)的具體時間表將以托卡馬克的發(fā)展時間表為準。

Zap Energy官網(wǎng)截圖

現(xiàn)在美國偏重慣性約束的一個可能原因是，由于中國稀土管制，美國的磁鐵供應(yīng)出現(xiàn)嚴重問題，其中的代表就是著名的Z-箍縮路線公司Zap Energy，其官網(wǎng)上掛出的口號就是“無需磁體的聚變能源”。

托卡馬克還需要50年嗎？

雖然可控核聚變一直有個老?！坝肋h還差五十年”。但是從現(xiàn)在的工程發(fā)展的角度看，我們已經(jīng)不需要再等50年了。因為在原子核溫度突破億度之后，我們就離實現(xiàn)可控核聚變只差臨門一腳。

根據(jù)HL-3總設(shè)計師鐘武律在社交平臺上的文章，“雙億度”節(jié)點標志著我國在聚變能研發(fā)的道路上成功跨越了一道關(guān)鍵門檻——我國聚變裝備具備了聚變?nèi)紵嚓P(guān)的高參數(shù)運行能力。

鐘武律進一步解釋道，要實現(xiàn)核聚變，原子核的溫度要超過1億度。達到該溫度后注入燃料，即可發(fā)生大規(guī)模聚變反應(yīng)，這次實驗的成果就意味著具備開展燃燒實驗的基本條件了，這個門檻已經(jīng)邁過去了。

美國、歐盟的兩個托卡馬克裝置曾經(jīng)實現(xiàn)燃燒實驗，但均已退役，目前在運行的裝置里面，還沒有開展燃燒實驗的。至于燃燒實驗這個時間點選擇，鐘武律表示“我們希望能夠通過兩三年的時間，全面升級整個裝置，然后再實現(xiàn)堆芯級參數(shù)的運行?！?

而且鐘武律展望稱，“我們目前（HL-3）實驗裝置也才發(fā)揮40%左右的能力，下一步，我們對整個裝置進行全面升級以后，將會達到我們的設(shè)計目標，聚變實驗，優(yōu)化運行方案，探索如何更加有效地提高‘聚變?nèi)朔e’，同時可以研究比如說阿爾法粒子的一些行為等前沿物理問題。然后，我們就要把聚變功率放大，讓聚變功率的輸出大于輸入的功率，這是未來我們商用要實現(xiàn)的一個目標。

中國環(huán)流三號

換句話說，HL-3已經(jīng)處于點燃可控核聚變的門檻附近，而且在經(jīng)歷升級之后，理論上可實現(xiàn)工程化驗證，我們將拭目以待其能否實現(xiàn)短時間Q>1的目標。

更值得注意的是，我國的可控核聚變實驗布局絕不僅僅聚焦于短時間Q>1的設(shè)備可行性驗證。在中國現(xiàn)在的可控核聚變布局中，EAST和HL-3承擔(dān)了兩個不同的任務(wù)。

EAST主要承擔(dān)了長脈沖科研需求，所以我們會看到，此前在1月20日，該裝置成功率先實現(xiàn)了上億攝氏度、持續(xù)1066秒的穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模（H-mode）等離子體運行，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置高約束模運行新的世界紀錄。而HL-3則承擔(dān)了高參數(shù)的科研任務(wù)，所以“雙億度”等實驗的重點主要由HL-3承擔(dān)。

鐘武律總師此前就在采訪中表示可控核聚變要實現(xiàn)商用，要走過大約6個階段，第一階段是原理的探索，把原理走通；第二階段就是要開展規(guī)模實驗，要得到大量的數(shù)據(jù)，獲得一些規(guī)律；第三階段就是要開展燃燒實驗，實現(xiàn)聚變反應(yīng)、獲得聚變功率；第四階段，就要建造實驗堆；第五階段，示范堆；最后就是商用堆。

目前，從全球來看正處于燃燒實驗到實驗堆過渡的階段。對于中國來說，首先得開展燃燒實驗、獲得聚變功率，下一步要建造聚變堆，開展相關(guān)工程技術(shù)的驗證，來支撐在本世紀中葉實現(xiàn)聚變的商用。

這一表態(tài)也是本輪國內(nèi)聚變熱的核心驅(qū)動?？梢哉f一旦HL-3和EAST在燃燒實驗上實現(xiàn)突破，那么下一階段以中國聚變工程實驗堆（CFETR）和緊湊型聚變能實驗裝置（Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，縮寫為BEST，中文名“夸父啟明”）為代表的實驗堆以及私人投資的實驗堆將會批量上馬。而這將牽引/帶動整個行業(yè)的投資熱潮。

這類實驗堆將與HL-3以及EAST有較大不同，從設(shè)計上就更加貼近未來的商用堆，并解決未來實際使用中的一系列難題。要知道EAST和HL-3遠非理想中的托卡馬克裝置，就以市場之前最關(guān)注的超導(dǎo)材料運用來說，EAST并沒有使用高溫超導(dǎo)磁體，而HL-3由于關(guān)注高參數(shù)沖刺，不需要長時間工作，且需要經(jīng)常性進行細節(jié)調(diào)整，所以其在設(shè)計時就沒有采用超導(dǎo)體。