每經(jīng)記者 石雨昕    每經(jīng)編輯 易啟江    

能源巨變正悄然而至！

有一種變革性能源技術(shù)，將顛覆當前的能源結(jié)構(gòu)。這種技術(shù)獲取的能量，未來將可以徹底替代石油、天然氣等化石能源。到那時，中國不再需要從中東、俄羅斯等地進口石油、天然氣，石油、煤炭等都將終結(jié)能源使命。

這種獲取能量的技術(shù)是“可控核聚變”，比現(xiàn)在核動力、核電等使用的“核裂變”技術(shù)更厲害，釋放的能量更大，只需要1克燃料，其聚變所獲得的能量，相當于燃燒8噸石油，不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體，而且核廢物也更可控。

近年來，國際上相繼實現(xiàn)磁約束、激光慣性約束核聚變，更接近未來能源，國際上又掀起一波研發(fā)高潮。

那么，在“可控核聚變”研發(fā)方面，中國已走到哪一步了呢？

為了揭開可控核聚變的神秘面紗，《每日經(jīng)濟新聞》記者（簡稱每經(jīng)記者或記者）專訪了國內(nèi)核聚變領(lǐng)域權(quán)威專家之一——核物理學家、中國科學院院士詹文龍。

詹文龍曾擔任中國科學院近代物理研究所所長、中國科學院副院長以及國際純粹與應用物理學聯(lián)合會（IUPAP）第27、28屆執(zhí)行委員會副主席等，是這個領(lǐng)域的學術(shù)帶頭人。

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可控核聚變有望

終結(jié)化石能源

何為核聚變？何為“可控”核聚變？

據(jù)了解，目前，核聚變能源是將兩種氫同位素（通常是氘和氚）加熱到極高溫度，原子核熔合成質(zhì)量較輕的氦和中子，微小的質(zhì)量差按愛因斯坦的能量質(zhì)量轉(zhuǎn)換成巨大能量。所謂“可控”，意味著人們可以控制核聚變的開啟和停止，核聚變的反應速度和規(guī)模可以隨時被調(diào)控，相當于可控的“人造太陽”。

有資料表明，核聚變原料所釋放出的能量，比同質(zhì)量的核裂變原料所釋放的能量要大得多。作為原料之一，氘在自然界中廣泛存在，每1升海水中含30毫克氘，而30毫克氘聚變產(chǎn)生的能量相當于300升汽油。

NBD：長久以來，為什么可控核聚變被視為解決人類能源問題的終極辦法？

詹文龍：首先，與現(xiàn)有能源相比，核聚變的突出優(yōu)勢是對環(huán)境非常友好。與化石燃料相比，核聚變不產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體。與現(xiàn)有核裂變相比，一方面，可控核聚變產(chǎn)生的廢物具有較短的放射性衰變壽命，從幾十萬至上百萬年縮短至可能的幾十年至100年以內(nèi)，使得廢棄物管理更為可控；另一方面，這些廢物釋放的熱量較低，進一步降低了安全風險。

其次，核聚變產(chǎn)生的能量密度非常高，核聚變能量釋放效率遠超傳統(tǒng)化學能源的燃燒，可達百萬倍之差，如產(chǎn)生聚變的另一種原料氚由中子和鋰6反應釋放能量就比鋰電池高百萬倍。這意味著相對較小的燃料量可以產(chǎn)生巨大的能量。1克氘氚燃料聚變所獲得的能量相當于燃燒8噸石油 。

此外，可控核聚變技術(shù)的研發(fā)不僅有望解決能源問題，在研究過程中也能推動相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。比如，可能為超導、核醫(yī)學帶來更多創(chuàng)新應用，未來腫瘤治療和高精度診斷將更加普及，且價格親民。現(xiàn)在一個療程可能需要20多萬元，未來，從設(shè)備制造角度來看，可能就降到10來萬。加速器技術(shù)的進步也將使得設(shè)備小型化，更廣泛地惠及大眾。

NBD：目前，全球化石能源占比仍然超80%，可控核聚變的運用，可以徹底替代煤、石油、天然氣等化石能源嗎？

詹文龍：從能源的角度來看，規(guī)模應用后，可控核聚變的運用，基本上可以替代石油、天然氣等化石能源的運用，從而徹底改變能源利用形式。未來，化石資源就會以化工行業(yè)原材料‌的形式呈現(xiàn)，比如用化石能源提取出多種基礎(chǔ)化工原料，應用于纖維、塑料、橡膠等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。

與歷史上的蒸汽、電力革命相似，可控核聚變也是作為潛在的低碳能源變革，對經(jīng)濟社會發(fā)展影響更大的是在二次、三次能源的應用上，為未來社會的能源結(jié)構(gòu)與動力系統(tǒng)帶來顛覆性轉(zhuǎn)變。

以現(xiàn)在我們核能（核裂變）利用為例，除了核能發(fā)電，核技術(shù)在軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域也得到了推廣和應用，軍事方面如核潛艇、航母等大型艦艇運用核裂變反應提供動力。在太空探索中，盡管成本較高，核能（如放射性同位素熱電發(fā)電機）已被用于火星探測和月球探測任務。核能也被用于小型設(shè)備，如心臟起搏器中的同位素電池。

NBD：未來可控核聚變裝置也可以實現(xiàn)小型化嗎？甚至最終出現(xiàn)核動力飛機、核動力汽車等工具嗎？

詹文龍：盡管技術(shù)在不斷發(fā)展，核能作為飛機動力源在理論上也可行，然而，核能用于飛機等飛行器的前提是能否保證“絕對核安全”，因為核電發(fā)生事故概率千萬分之一，遠遠小于飛行器發(fā)生事故概率，一旦飛行器發(fā)生事故，誘發(fā)的后果將比常規(guī)事故嚴重得多。

未來想要商業(yè)利用可控核聚變提供能源，除了需要解決聚變?nèi)剂系目沙掷m(xù)循環(huán)和抗聚變快中子輻照材料外，肯定要考慮經(jīng)濟性。到目前為止，我們主要采用磁約束路線來實現(xiàn)可控核聚變，這種情況下，核聚變反應堆的規(guī)模會非常大，經(jīng)濟性很難提高，性價比不高，所以，工程建設(shè)方面，只能一邊建設(shè)一邊改進技術(shù)，進行漸進式創(chuàng)新。

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全球科學家都在為2035 至2040 年實現(xiàn)核聚變而努力

20世紀90年代以來，磁約束可控核聚變科學原理得到證實，當前已進入工程可行性研究階段，國際熱核磁約束核聚變裝置(ITER)為代表的一批裝置投入運行將是可控聚變作為低碳能源的新里程碑，政府、私人投資有望快速推動行業(yè)進入商業(yè)化階段。

NBD：中國已經(jīng)承諾在2060年前實現(xiàn)碳中和，而能源轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。您認為在2060年可控核聚變能實現(xiàn)嗎？

詹文龍：據(jù)我了解，現(xiàn)在國際上對中國在2060年實現(xiàn)碳中和的目標大多持樂觀態(tài)度。盡管預計到2060年前，核聚變可能尚不能擔當主角，核裂變技術(shù)的進步仍不足以滿足碳中和規(guī)模要求，但中國在太陽能、風能、水電和核電等清潔能源領(lǐng)域的發(fā)展勢頭強勁，多種能源的綜合運用，預期能夠有效支撐碳中和目標的實現(xiàn)。此外，在核電領(lǐng)域，隨著技術(shù)進步和規(guī)模擴大，核電將逐步替代煤電，成為電網(wǎng)中穩(wěn)定供電的重要組成部分。

我認為，2060年之前依靠可控核聚變技術(shù)實現(xiàn)規(guī)模性供電是不現(xiàn)實的。目前，全球能源供應依然主要依賴于化石能源以及部分可再生能源（例如風光水電）等，國際能源總署展望全球核電規(guī)模將提高2~3倍。但是可控核聚變技術(shù)肯定會有所進展，預計能達到示范性階段，即展示其能夠產(chǎn)出穩(wěn)定電力的能力，能否實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)應用仍是未知數(shù)。

NBD：全球可控核聚變領(lǐng)域技術(shù)研究進展如何？人類何時能真正用上這種技術(shù)獲取的能源？

詹文龍：從技術(shù)成熟度的角度來看，我們可以把一項科研技術(shù)從無到有到商業(yè)規(guī)模應用分為9級。目前全球的核聚變技術(shù)大約處于4到5級的水平，要達到商業(yè)化應用的9級，還需要解決燃料、材料、安全性、可靠性和經(jīng)濟性等方面的問題。預計需要歷經(jīng)三五十年的時間，才能從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向較為穩(wěn)定可靠的技術(shù)，達到示范應用級別，這大概處在6到7級水平。

目前，全球科學家都在為2035 至2040 年實現(xiàn)核聚變而努力，但將其轉(zhuǎn)化為商業(yè)應用還面臨諸多挑戰(zhàn)，例如經(jīng)濟性。到2060年，核聚變發(fā)電的經(jīng)濟競爭力與其他能源相比仍存在不確定性，因為現(xiàn)在太陽能發(fā)電已經(jīng)算得上是“白菜價”了，最低已進入0.1元/KWh(沒儲能)。

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若真正實現(xiàn)可控核聚變

是無限的能源

據(jù)了解，目前，磁約束核聚變與慣性約束核聚變，被認為是實現(xiàn)可控核聚變的兩種重要方式。其中，磁約束聚變通過低密度長時間燃燒的方式實現(xiàn)氘、氚等離子體的自持燃燒，并將這種燃燒維持下去。想要實現(xiàn)核聚變需要高溫、高密度和足夠長的反應時間，以上三個參數(shù)同時達到一定標準才能發(fā)生自持的核聚變反應，以保證能量的有效釋放和穩(wěn)定輸出。

NBD：我們通常理解可控核聚變是無限的能源，是這樣的嗎？

詹文龍：可控核聚變反應前后的微小質(zhì)量差按愛因斯坦的能量質(zhì)量轉(zhuǎn)換成巨大能量，目前，使用的是氘氚反應，這是所有聚變反應中最容易實現(xiàn)的聚變。雖然理論上氘氚核聚變可視為接近無限的能源，氘在自然界中廣泛存在，海洋中就有豐富的氘資源，常被科普為“取之不盡”的元素。然而，真正的核聚變反應涉及到氘與氚的結(jié)合。

氚是一種放射性核素(半衰期約為12.3年)，自然界中基本不存在。理論上，氘氚聚變反應中釋放的一個快中子可與鈹反應產(chǎn)生2個慢中子，將鋰分解成氦和氚，但技術(shù)的可行性需要實驗驗證。

此外，這個反應的前提是有一個正在運行的聚變反應堆，商業(yè)規(guī)模反應堆本身也需要足夠的氚(超過全球目前的儲量)來啟動。如果燃料自持的理論得到驗證，那么可控核聚變確實是無限的。

NBD：核聚變反應中材料需要承受高達上億攝氏度的高溫，而目前我們所擁有的材料，只能承受千攝氏度級別的溫度，有些人認為材料耐高溫將成為可控核聚變研究最大的挑戰(zhàn)，您認同嗎？

詹文龍：材料耐高溫似乎是一個巨大的限制，然而這并不是主要問題。在磁約束核聚變中，高溫下的粒子會電離成帶電粒子，在強磁場的約束下，這些帶電粒子不會直接撞擊材料表面，從而避免了高溫對材料的直接損害。磁約束容器是真空壓力材料制成的，更大的難題在于核聚變中子強輻照的問題。中子不帶電，它們能夠穿透材料對材料造成輻射損傷。

氘氚反應產(chǎn)生的中子能量比現(xiàn)有裂變反應的要高，對材料的抗輻照性能提出了更高要求。截至目前，全球還沒有一個真正的高強度聚變中子源來測試材料，因此，需要進行更基礎(chǔ)的研究。

值得一提的是，近年來，中國在核聚變研究方面特別是在長脈沖條件下的高溫或高密度運行方面保持了世界紀錄，尤其是在超導磁約束等技術(shù)難題上取得了突破，超導材料以及大型磁體在ITER研制處于主要承建者，在高溫超導及磁體的研發(fā)及應用方面走到國際前列，并在全球聚變研究領(lǐng)域保持了一定的先進性。比如東方超環(huán)（EAST）首次實現(xiàn)403秒高約束模等離子體運行，相應提高在ITER的話語權(quán)。

▲東方超環(huán)自主設(shè)計研制出高度集成的世界上首個全超導托卡馬克主機 圖片來源：中國科學院等離子體物理研究所官網(wǎng)

NBD：中國可控核聚變領(lǐng)域研究進展如何？在國際上有哪些優(yōu)勢？

詹文龍：中國除了在穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行技術(shù)方面展現(xiàn)出時間持續(xù)長的優(yōu)勢外，在強流加速器研發(fā)利用方面也具有一定優(yōu)勢。強流離子超導直線加速器，其速流功率比國際上高近一個數(shù)量級，特別是實現(xiàn)了百千瓦百小時穩(wěn)定運行。利用加速器驅(qū)動先進核裂變能系統(tǒng)是更先進的核電系統(tǒng)，預計十年后將進入商業(yè)運行。中國科學院近代物理研究所的強流離子加速器技術(shù)將具備開發(fā)出可以符合研究聚變?nèi)剂?、材料研發(fā)的強中子源，如果能列入“十五五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，將在國際上領(lǐng)先進行我們前面提到的燃料自持和材料問題的研發(fā)。

NBD：為什么我們中國強流離子加速器能夠從激烈的國際科研競速中脫穎而出？您預計什么時候能有明顯科研突破？

詹文龍：我國社會主義體制優(yōu)勢是集中資源辦大事，特別跨世紀后國家加大對研究投入，加上人才強國戰(zhàn)略，長期穩(wěn)定的基礎(chǔ)研究和國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施研發(fā)，在束流物理方面取得突破、在先進制造水平(數(shù)字孿生、工藝及測試水平)上的提高及重離子治療的應用，使我國在離子加速器研發(fā)上走到國際前列。

我們說在核聚變研究中，激光慣性核聚變是一種發(fā)展較快可控慣性聚變方法。美國國家聚變中心利用超強激光成功觸發(fā)兆焦規(guī)模的核聚變反應，我國在這個領(lǐng)域的研發(fā)估計2030年也能實現(xiàn)聚變反應。然而，這種方法的電和激光轉(zhuǎn)換效率相對較低，整個過程中的能量轉(zhuǎn)換效率不到5%。這意味著，盡管激光慣性核聚變在實驗中取得了一定成功，但其效率不足以用于商業(yè)發(fā)電。

相比之下，強流重離子慣性聚變驅(qū)動源是國際學術(shù)界公認的一種理想慣性聚變能的方法，強流重離子束能量轉(zhuǎn)換效率高達30%、十赫茲重復頻率、束流最后傳輸器件離靶5米以上(避免被爆炸損壞)、加速器長期穩(wěn)定運行且可維護，重離子慣性聚變反應的能量放大倍數(shù)可達千倍。

重離子慣性聚變的難點在于達到爆炸要求的能量密度比強流加速器高出千萬倍。上世紀70年代開始，國際上很多人研究，但強流加速器方面的技術(shù)研究進展相對慢，近十年來，我國在強流束流物理方面取得突破、在高能量密度物質(zhì)發(fā)現(xiàn)新性質(zhì)找到了更高效的聚變方法；2025年將建成國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“強流重離子加速器研究裝置”，隨后，重離子束流可達到高能量密度狀態(tài)條件，實現(xiàn)百千焦小規(guī)模的聚變“爆破”實驗，使國際重離子慣性聚變進入新的里程碑。

一旦實現(xiàn)小規(guī)模的聚變“爆破”，下一步我們將聚焦于擴大規(guī)模并優(yōu)化能源轉(zhuǎn)換過程，包括把百千焦束團能量的加速器增強到兆焦束團、提高效能、束團的重頻及開發(fā)高效能的能源收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將核聚變反應釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能等實用能源形式，推動可控核聚變的應用。

記者|石雨昕

編輯|易啟江

視覺|劉青彥

排版|易啟江

封面圖片來源：每經(jīng)制圖