在核聚變領(lǐng)域，選錯(cuò)路線幾乎等同于浪費(fèi)十年。

從本質(zhì)上來(lái)看，無(wú)論是托卡馬克（Tokamak）、仿星器、場(chǎng)反位形（FRC，F(xiàn)ield Reversed Configuration）還是其他類型，所有技術(shù)方案都繞不開(kāi)的是等離子體約束這個(gè)第一性問(wèn)題：如何有效約束上億度甚至更高溫的等離子體，并長(zhǎng)時(shí)間維持其高密度，讓核聚變反應(yīng)充分發(fā)生。

過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)，全球最成熟的選擇始終是氘-氚（D-T）技術(shù)路線。它反應(yīng)條件最低、相關(guān)物理過(guò)程最清晰，也幾乎寫(xiě)進(jìn)了所有國(guó)家級(jí)大科學(xué)裝置的設(shè)計(jì)圖紙，例如國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）、緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）、中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-3）等。

DeepTech 注意到，由復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所（核科學(xué)與技術(shù)系）許敏教授帶領(lǐng)的磁約束聚變團(tuán)隊(duì)基于托卡馬克裝置選擇了一條“非主流”的氘-氦 3（D–3He）路線。那么，氘-氦 3 是一條怎樣的技術(shù)路線，它有可能讓核聚變走向一個(gè)更光明的未來(lái)嗎？

主流之外的選擇：為何有人挑戰(zhàn)更難的氘-氦 3 路線？

目前，國(guó)家級(jí)大科學(xué)裝置都不約而同選擇了氘-氚作為主流路線，這條路線相對(duì)成熟，研究也較為透徹。

一方面，氘-氚反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在于反應(yīng)速率高。對(duì)比不同技術(shù)路線在其各自最佳聚變反應(yīng)溫度時(shí)，氘-氚反應(yīng)截面比其他反應(yīng)截面高 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

另一方面，與其他技術(shù)路線相比，氘-氚反應(yīng)點(diǎn)火條件最低，約 3-5×1021 keV·s·m?3，因此被認(rèn)為是“地球上最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)”。

但與此同時(shí)，這條路線也面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：

第一，14 MeV 的高能中子帶來(lái)的材料問(wèn)題。由氘-氚反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子，對(duì)材料（尤其是面向等離子體的部件）會(huì)造成輻照損傷，導(dǎo)致開(kāi)裂、脫落、膨脹等。

除了抗高能中子輻照的要求，面向等離子體部件的材料還必須同時(shí)耐受高熱負(fù)荷，高達(dá) 10-20MW/m2。盡管全球科學(xué)家已經(jīng)篩選出一批候選材料，但還需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，才能找到適合氘-氚聚變反應(yīng)堆極端條件的材料，并走完從實(shí)驗(yàn)室研究到通過(guò)聚變真實(shí)環(huán)境下的考核測(cè)試，最后實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)的全過(guò)程。

第二，氚自持問(wèn)題。氚是一種半衰期較短的核素（約 12.33 年），每年氚約 5.5% 會(huì)通過(guò)衰變轉(zhuǎn)變?yōu)楹?3，而自然界中幾乎不存在氚。因此，為滿足聚變發(fā)電的燃料需求，氚只能由聚變堆自身生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)氚的自我循環(huán)。

整個(gè)循環(huán)體系運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)后，氚的總量能夠維持基本平衡，不會(huì)越燒越少，甚至可能會(huì)越產(chǎn)越多。與聚變堆材料相同，氚循環(huán)系統(tǒng)也需要通過(guò)真實(shí)聚變環(huán)境下的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證有效的氚增殖能力，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室研究到工程化、實(shí)用化的轉(zhuǎn)變。

盡管目前國(guó)際上選擇氘-氦 3 聚變反應(yīng)路線的聚變公司和團(tuán)隊(duì)并不多，但實(shí)際上，早在 20 世紀(jì) 80、90 年代，美國(guó) ARIES 團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始對(duì)氘-氦 3 聚變反應(yīng)進(jìn)行研究，甚至設(shè)計(jì)出了基于托卡馬克的聚變堆方案，并展望未來(lái)實(shí)現(xiàn)氘-氦 3 聚變堆的聚變電站以及相關(guān)參數(shù)。然而，彼時(shí)能產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的高溫超導(dǎo)（HTS，high-temperature superconducting）材料尚未成熟，氘-氦 3 聚變堆所需的強(qiáng)磁場(chǎng)還是一種“奢望”。

實(shí)際上，氘-氦 3 并不是一個(gè)更完美和更輕松的解決方案，而是用一個(gè)更難的物理?xiàng)l件，換掉兩個(gè)長(zhǎng)期的工程難題。核聚變就像是一座山，氘-氦 3 路線就是科學(xué)家們選擇了的另一個(gè)攀登方向。這條路線顯著降低高能中子通量，能夠同時(shí)規(guī)避抗中子輻照材料問(wèn)題和氚自持問(wèn)題，但同時(shí)也要直面反應(yīng)條件顯著提高帶來(lái)的極限挑戰(zhàn)。

也就是說(shuō)，不是問(wèn)題變少了，而是更“干凈”、更集中的解決方案：氘-氦 3 反應(yīng)的條件相比傳統(tǒng)氘-氚反應(yīng)要求更高，其反應(yīng)溫度達(dá)到 5-7 億度，聚變?nèi)朔e也要達(dá)到 1022keV·s·m?3 量級(jí)（注：聚變?nèi)朔e是指燃料離子的溫度×密度×能量約束時(shí)間，對(duì)比而言，氘-氚聚變的三乘積約 3-5×1021keV·s·m?3）。托卡馬克裝置要實(shí)現(xiàn)這個(gè)條件，需要將現(xiàn)有磁場(chǎng)強(qiáng)度提升 2-3 倍，達(dá)到 10 特斯拉以上。

真正的門(mén)檻：強(qiáng)磁場(chǎng)，正在改變核聚變的尺度邏輯

提升磁場(chǎng)獲得的不是線性收益，而是核聚變經(jīng)濟(jì)性的放大器。追求強(qiáng)磁場(chǎng)，無(wú)論是氘-氚路線、氘-氦 3 路線還是其他路線，是領(lǐng)域普遍認(rèn)可的有效提高聚變經(jīng)濟(jì)效益的方法：同樣一個(gè)聚變電站，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度翻一倍，它的聚變功率密度會(huì)變成原來(lái)的 16 倍。

氘-氦 3 的首要前提是強(qiáng)磁場(chǎng)磁體，這條路線最大的門(mén)檻，是高溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)磁體的可靠性和穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)然，這并不意味著低溫超導(dǎo)不能用于氦 3 路線，只是裝置規(guī)模更大。

目前，全世界對(duì)于托卡馬克裝置的高溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)磁體仍在探索研發(fā)過(guò)程中。由美國(guó)麻省理工學(xué)院衍生的核聚變初創(chuàng)公司 Commonwealth Fusion Systems（CFS）進(jìn)展最快，該公司 2021 年研制出新型高溫超導(dǎo)磁體，在 20K（-253℃）的低溫下可實(shí)現(xiàn) 20 特斯拉強(qiáng)磁場(chǎng)，一舉刷新了同類磁體的最高記錄。CFS 公司正在建造的 SPARC 托卡馬克裝置將采用全高溫超導(dǎo)磁體，其環(huán)向場(chǎng)磁體目前已通過(guò)初步測(cè)試，但還沒(méi)有在真實(shí)的托卡馬克工況下運(yùn)行。

“我們也很期待 CFS 的科學(xué)家們?cè)谖磥?lái)幾年把裝置建成并開(kāi)始運(yùn)行。屆時(shí)，我們可以了解到他們的高溫超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)技術(shù)路線在實(shí)際裝置運(yùn)行條件下，是否依然可行?！痹S敏對(duì) DeepTech 表示。

從全球核聚變公司來(lái)看，美國(guó)核聚變公司 Helion Energy 也使用氘-氦 3 作為核聚變?nèi)剂希摴咀叩氖橇硪粭l技術(shù)路線。簡(jiǎn)單來(lái)理解，這就像燒鍋爐可以用相同的燃料，但是“爐子”完全不同，復(fù)旦大學(xué)聚變團(tuán)隊(duì)是用環(huán)形的托卡馬克，而 Helion 則走的是直線型的 FRC 路線。

從裝置的幾何結(jié)構(gòu)來(lái)看，托卡馬克是全世界聚變裝置中最成熟的路線，也是研究最透徹的方向之一。而 FRC 這條路線的基礎(chǔ)相對(duì)托卡馬克還較薄弱，需要進(jìn)一步解決相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)問(wèn)題。但 FRC 的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、迭代快，這條路線也值得探索，目前國(guó)內(nèi)已有多家企業(yè)聚焦該路線。

越來(lái)越多的聚變研究領(lǐng)域科學(xué)家已達(dá)成共識(shí)，相對(duì)于聚變裝置越做越大的傳統(tǒng)路線，強(qiáng)磁場(chǎng)、小型化的聚變裝置是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。但聚變電站的規(guī)模與其帶來(lái)的度電成本并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的依賴關(guān)系：裝置過(guò)大，建造難度和周期都非常高，可能導(dǎo)致度電成本高；裝置過(guò)小，工程技術(shù)上的挑戰(zhàn)也很大，發(fā)電量少，每度電的成本也會(huì)升高。科學(xué)家和工程師們需要在兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，以合適的裝置規(guī)模達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的度電成本。

與目前的西電東送或從沿海將電力輸送到城市相比，未來(lái)分布式供電網(wǎng)絡(luò)或是一種更理想的方案。根據(jù)實(shí)際需求分布式建設(shè)小型聚變電站，不僅能夠降低長(zhǎng)距離輸配電的成本，整個(gè)電網(wǎng)也會(huì)更穩(wěn)定，進(jìn)而降低因某條主線路出問(wèn)題而影響大范圍供電的可靠性。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可能形成大型電站和小型電站相互交織的一體化供電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大、小型電站的互補(bǔ)：大型電站可建于偏遠(yuǎn)地區(qū)，通過(guò)高效、可靠的輸電網(wǎng)絡(luò)，將電力遠(yuǎn)距離輸送至大城市群和工業(yè)中心；而小型電站則分布在城市周邊和算力中心旁邊。

此外，與硬件設(shè)備同樣重要的，是電站運(yùn)行控制技術(shù)的革新。隨著 AI 技術(shù)的發(fā)展，AI 在控制等離子體運(yùn)行方面也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。首先，人類控制運(yùn)行聚變裝置主要靠經(jīng)驗(yàn)，但其能夠同時(shí)關(guān)注的參數(shù)和反應(yīng)速度都有限。因此，訓(xùn)練專用的控制運(yùn)行大模型，能夠達(dá)到甚至超出人類控制的水平，提升長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行控制上億度極高溫等離子體的可靠性和穩(wěn)定性。

其次，AI 有天然的優(yōu)勢(shì)：不僅能在同一時(shí)間觀測(cè)大量不同的數(shù)據(jù)，識(shí)別出問(wèn)題后還能夠迅速響應(yīng)。用 AI 運(yùn)行未來(lái)的聚變電站是必然趨勢(shì)，我們必須從現(xiàn)在開(kāi)始布局，將 AI 融入等離子體控制運(yùn)行系統(tǒng)，并最終應(yīng)用于核聚變電站運(yùn)行。

相比于誰(shuí)先實(shí)現(xiàn)核聚變，更重要的是誰(shuí)的電價(jià)最便宜

回到一個(gè)“老問(wèn)題”：我們距離核聚變真正發(fā)電還有多久？似乎每次提到這個(gè)問(wèn)題大家都會(huì)經(jīng)常說(shuō)“永遠(yuǎn)還有 50 年”。

然而，核聚變實(shí)現(xiàn)的時(shí)間應(yīng)該從第一性原理分析，盡管現(xiàn)在已有煤炭、石油、天然氣以及光伏、風(fēng)電等能源，但聚變的時(shí)間表取決于社會(huì)需求的緊迫程度和人才、資源的投入程度。

隨著近年技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn) AI 的發(fā)展速度遠(yuǎn)超預(yù)期，而支撐其發(fā)展的電力消耗也呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。展望未來(lái)五到十年，傳統(tǒng)的能源體系難以完全填補(bǔ) AI 對(duì)電力的巨大需求缺口，這個(gè)差距可能是幾十倍、上百倍甚至上千倍。這種情況下，聚變能源的發(fā)展已經(jīng)從能源的備選方案變成了剛需且緊迫的選項(xiàng)，甚至成為支撐 AI 技術(shù)繼續(xù)前進(jìn)的前提條件之一。

放眼全球，資本市場(chǎng)對(duì)聚變的投入開(kāi)始爆發(fā)。據(jù)美國(guó)聚變工業(yè)協(xié)會(huì)（FIA，F(xiàn)usion Industry Association）發(fā)布的《2025 年全球聚變行業(yè)》報(bào)告數(shù)據(jù)，“過(guò)去 5 年全球聚變行業(yè)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，目前全球共 53 家核聚變公司，總投資額達(dá)到 97.7 億美元，較 2021 年總投資額提高了 5 倍?！?/p>

（來(lái)源：FIA）

這些公司的資金，既有來(lái)自國(guó)家財(cái)政的支持，也有通過(guò)市場(chǎng)化的募集。從本質(zhì)上來(lái)看，資金無(wú)論來(lái)自哪種渠道，都對(duì)核聚變技術(shù)發(fā)展起到促進(jìn)和供應(yīng)鏈扶持的作用。

第一，對(duì)聚變技術(shù)本身的貢獻(xiàn)。比如，通過(guò)聚變裝置的建設(shè)，能夠把裝置的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行整個(gè)流程摸得更透，推動(dòng)技術(shù)快速發(fā)展和迭代。

第二，對(duì)供應(yīng)鏈的扶持。整個(gè)聚變產(chǎn)業(yè)的供應(yīng)鏈需要“活下去”，無(wú)論是國(guó)家財(cái)政出資，還是像中國(guó)聚變能源有限公司、聚變新能有限公司這樣的中央國(guó)資或地方國(guó)資出手注資到鏈主企業(yè)，然后由鏈主企業(yè)分包發(fā)給上游供應(yīng)鏈企業(yè)。對(duì)這些上游企業(yè)來(lái)說(shuō)，拿到訂單是一種乘數(shù)放大效應(yīng)。

傳統(tǒng)的聚變“國(guó)家隊(duì)”包括中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所和核工業(yè)西南物理研究院（原二機(jī)部 585 所）及其關(guān)聯(lián)公司?，F(xiàn)在，中國(guó)聚變發(fā)展格局一方面是由傳統(tǒng)的科研院所獲取國(guó)家資金，推動(dòng)大型科學(xué)工程項(xiàng)目的實(shí)施；與此同時(shí)，多家聚變公司正在市場(chǎng)化資金的推動(dòng)下探索各種技術(shù)路線。

供應(yīng)鏈?zhǔn)顷P(guān)乎核聚變能源度電成本的關(guān)鍵，國(guó)外的情況也類似，包括美國(guó)、歐盟、日本和英國(guó)都在強(qiáng)調(diào)供應(yīng)鏈的重要性，并通過(guò)不同舉措定向扶持供應(yīng)鏈。

從技術(shù)底蘊(yùn)來(lái)看，盡管西方國(guó)家在核聚變領(lǐng)域的歷史積累比中國(guó)深厚，但這個(gè)差距并沒(méi)有太大，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的持續(xù)發(fā)展，這一差距在迅速縮小，我國(guó)在某些技術(shù)領(lǐng)域甚至實(shí)現(xiàn)了對(duì)西方的超越。

無(wú)論是美國(guó)、歐洲還是中國(guó)，相比于誰(shuí)最先實(shí)現(xiàn)核聚變，更重要的事情是：核聚變發(fā)電在不同國(guó)家實(shí)現(xiàn)之后，誰(shuí)能把度電成本做到最低。由于電是大宗商品，只有成本足夠低才具備戰(zhàn)略性意義。從商業(yè)化落地的角度來(lái)看，核聚變雖然還有基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題需要解決，但更大的挑戰(zhàn)在工程化階段，二者需要相輔相成、齊頭并進(jìn)。

聚變電站的成本是一個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，包括超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)磁體、低溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等關(guān)鍵構(gòu)成。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，磁約束這條路線的成本還有大幅度降低的空間，其成本構(gòu)成中沒(méi)有昂貴稀缺的材料（如高溫超導(dǎo)帶材核心材料本身不貴），而主要在于部件復(fù)雜的生產(chǎn)和安裝工藝。未來(lái)，通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)有望實(shí)現(xiàn)成本的顯著降低，最終實(shí)現(xiàn)老百姓期待的“一毛錢(qián)一度電”。

參考資料：

https://www.fusionindustryassociation.org/over-2-5-billion-invested-in-fusion-industry-in-past-year/

https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908