每經(jīng)記者 石雨昕    每經(jīng)編輯 陳柯名    

能源巨變正悄然而至！

有一種變革性能源技術(shù)，將顛覆當(dāng)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(jìn)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(dāng)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(jì)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(xué)家、中國科學(xué)院院士詹文龍。

詹文龍曾擔(dān)任中國科學(xué)院近代物理研究所所長、中國科學(xué)院副院長以及國際純粹與應(yīng)用物理學(xué)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(xué)術(shù)帶頭人。

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(yīng)速度和規(guī)?？梢噪S時被調(diào)控，相當(dāng)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(dāng)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(jìn)一步降低了安全風(fēng)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(yuǎn)超傳統(tǒng)化學(xué)能源的燃燒，可達(dá)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)、核醫(yī)學(xué)帶來更多創(chuàng)新應(yīng)用，未來腫瘤治療和高精度診斷將更加普及，且價格親民?，F(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(jìn)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(yùn)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(yīng)用后，可控核聚變的運(yùn)用，基本上可以替代石油、天然氣等化石能源的運(yùn)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(yīng)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(jì)社會發(fā)展影響更大的是在二次、三次能源的應(yīng)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(yīng)用，軍事方面如核潛艇、航母等大型艦艇運(yùn)用核裂變反應(yīng)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?zé)犭姲l(fā)電機(jī)）已被用于火星探測和月球探測任務(wù)。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(jī)、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(jī)動力源在理論上也可行，然而，核能用于飛機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)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(jì)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(yīng)堆的規(guī)模會非常大，經(jīng)濟(jì)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(jìn)技術(shù)，進(jìn)行漸進(jìn)式創(chuàng)新。

全球科學(xué)家都在

為2035 至2040 年

實現(xiàn)核聚變而努力

20世紀(jì)90年代以來，磁約束可控核聚變科學(xué)原理得到證實，當(dāng)前已進(jìn)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(yùn)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(jìn)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(biāo)的關(guān)鍵。您認(rèn)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(biāo)大多持樂觀態(tài)度。盡管預(yù)計到2060年前，核聚變可能尚不能擔(dān)當(dāng)主角，核裂變技術(shù)的進(jìn)步仍不足以滿足碳中和規(guī)模要求，但中國在太陽能、風(fēng)能、水電和核電等清潔能源領(lǐng)域的發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，多種能源的綜合運(yùn)用，預(yù)期能夠有效支撐碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。此外，在核電領(lǐng)域，隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模擴(kuò)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(rèn)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(yīng)依然主要依賴于化石能源以及部分可再生能源（例如風(fēng)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(jìn)展，預(yù)計能達(dá)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(yīng)用仍是未知數(shù)。

NBD：全球可控核聚變領(lǐng)域技術(shù)研究進(jìn)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(yīng)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(dá)到商業(yè)化應(yīng)用的9級，還需要解決燃料、材料、安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面的問題。預(yù)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(dá)到示范應(yīng)用級別，這大概處在6到7級水平。

目前，全球科學(xué)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(yīng)用還面臨諸多挑戰(zhàn)，例如經(jīng)濟(jì)性。到2060年，核聚變發(fā)電的經(jīng)濟(jì)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(jìn)入0.1元/KWh(沒儲能)。

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(rèn)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(yīng)時間，以上三個參數(shù)同時達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)才能發(fā)生自持的核聚變反應(yīng)，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(yīng)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(yīng)，這是所有聚變反應(yīng)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(yīng)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(yīng)中釋放的一個快中子可與鈹反應(yīng)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(yīng)的前提是有一個正在運(yùn)行的聚變反應(yīng)堆，商業(yè)規(guī)模反應(yīng)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(yīng)中材料需要承受高達(dá)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(rèn)為材料耐高溫將成為可控核聚變研究最大的挑戰(zhàn)，您認(rèn)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)產(chǎn)生的中子能量比現(xiàn)有裂變反應(yīng)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(qiáng)度聚變中子源來測試材料，因此，需要進(jìn)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(yùn)行方面保持了世界紀(jì)錄，尤其是在超導(dǎo)磁約束等技術(shù)難題上取得了突破，超導(dǎo)材料以及大型磁體在ITER研制處于主要承建者，在高溫超導(dǎo)及磁體的研發(fā)及應(yīng)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(jìn)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(yùn)行，相應(yīng)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(dǎo)托卡馬克主機(jī) 圖片來源：中國科學(xué)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(jìn)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(yùn)行技術(shù)方面展現(xiàn)出時間持續(xù)長的優(yōu)勢外，在強(qiáng)流加速器研發(fā)利用方面也具有一定優(yōu)勢。強(qiáng)流離子超導(dǎo)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(yùn)行。利用加速器驅(qū)動先進(jìn)核裂變能系統(tǒng)是更先進(jìn)的核電系統(tǒng)，預(yù)計十年后將進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行。中國科學(xué)院近代物理研究所的強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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(yù)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(jì)后國家加大對研究投入，加上人才強(qiáng)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(jìn)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(yīng)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(qiáng)激光成功觸發(fā)兆焦規(guī)模的核聚變反應(yīng)，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(yīng)。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(qiáng)流重離子慣性聚變驅(qū)動源是國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的一種理想慣性聚變能的方法，強(qiáng)流重離子束能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)30%、十赫茲重復(fù)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(yùn)行且可維護(hù)，重離子慣性聚變反應(yīng)的能量放大倍數(shù)可達(dá)千倍。

重離子慣性聚變的難點在于達(dá)到爆炸要求的能量密度比強(qiáng)流加速器高出千萬倍。上世紀(jì)70年代開始，國際上很多人研究，但強(qiáng)流加速器方面的技術(shù)研究進(jìn)展相對慢，近十年來，我國在強(qiáng)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(qiáng)流重離子加速器研究裝置”，隨后，重離子束流可達(dá)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(jìn)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(kuò)大規(guī)模并優(yōu)化能源轉(zhuǎn)換過程，包括把百千焦束團(tuán)能量的加速器增強(qiáng)到兆焦束團(tuán)、提高效能、束團(tuán)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(yīng)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(yīng)用。

記者|石雨昕

編輯|陳柯名?易啟江 杜恒峰

視覺|劉青彥

排版|易啟江｜每日經(jīng)濟(jì)新聞 ?nbdnews??原創(chuàng)文章｜

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