唐曉甫：現在的可控核聚變，還有“永遠的五十年”這個魔咒嗎？

中國聚變能源有限公司於7月22日在上海正式成立，標誌着國家可控核聚變工程化與商業化戰略進入新階段。從國家戰略上來説，該公司的成立標誌着以國家意志為主導的投資三步走規劃正式成型：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託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。

其中託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取得重大突破。“中國環流三號”裝置於2025年實現原子核温度1.17億攝氏度與電子温度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”裝置首次完成1億攝氏度1000秒“高質量燃燒”，創造新世界紀錄。

相比之下，美國國家點火裝置雖在2022年實現激光聚變點火實驗，但四次實驗只是其釋放能量大於單次驅動的激光能量，但遠小於整個系統的消耗電能。而且激光可控核聚變路線在原理上更側重軍事應用，同時在低成本生產點火靶丸和激光高頻驅動上面臨挑戰，商業化路線不如託卡馬克明晰。

儘管宣傳重點不同，中美在各技術路線均有佈局。中美對於不同技術路線態度上的温差其中部分原因來自稀土。中國擁有稀土資源優勢，未來有望在全高温超導託卡馬克路線上實現領先，而美國部分企業近年來則更加側重宣傳不依賴高性能磁鐵的慣性約束路線。

現在可控核聚變的商業化進程已掙脱“永遠50年”魔咒。根據我國路線圖，2035年將建成的聚變工程實驗堆有望在建設完成初期實現100~200MW的聚變功率輸出，在2050年前後併網供電。同時隨着民間資本加速湧入，初創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，全高温超導託卡馬克裝置“洪荒-170”。人類終極能源革命曙光初現。

【文/觀察者網 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、商業化的創新主體，重點佈局總體設計、技術驗證、數字化研發等業務，並建設技術研發平台和資本運作平台。自此，由中央牽頭的中長期投資計劃已經明確：

短期內，我國將延續自2014年6月開始佈局的國家大基金路徑，加速推進半導體產業發展，並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，國家將繼續大力投入以可控核聚變為代表的能源革命，讓中國在未來的競爭中獲得更大的科技競爭優勢。

不少人可能會問，可控核聚變不是總説還有五十年嗎？為什麼我們如此急迫地關注可控核聚變？答案其實很簡單，因為可控核聚變商用早已經脱離“永遠還要五十年”的魔咒，可能會在十多年內就實現初步商用。現在談可控核聚變和2000年初佈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，該產業的潛在收益將遠超電動汽車。

可控核聚變不止於託卡馬克一條路線

大多數朋友聽説過可控核聚變，但對於可控核聚變的具體路線可能知之甚少。簡單來説，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，左上為託卡馬克裝置（中國環流三號）；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，把微小燃料靶丸（通常是氘－氚混合物）壓縮到極高的温度和密度，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），在極短時間內將其壓縮到極高的温度和密度，從而實現核聚變“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“聚變點火”，引發全球關注和討論。但當時輿論場的多數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，遠遠低於整個系統的總能耗（包括激光產生、製冷、轉換等全系統輸入能量）。

即便不考慮中子輻照、靶丸生產等一系列問題，僅就能量輸出方面，激光可控核聚變路線距離真正實現持續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，一種利用強脈衝電流通過等離子體本身所產生的磁場，把等離子體束縛並徑向壓縮到高温高密狀態，以實現核聚變的物理方法。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。

相比於慣性約束，現在各國投入更多的是磁約束方式，磁約束又分託卡馬克、仿星器、場反位形、磁鏡等，其中託卡馬克是主流方向。相比於慣性約束的短時間高温極高密度實現可控核聚變路線，磁約束是利用強大的磁場把高温等離子體（如氘、氚氣體的等離子體）限制在空間內，使其在足夠長時間內保持高温高密度，實現聚變反應。

從原理上來説，託卡馬克路線和仿星器路線既有相似之處也有不同之處。相同之處在於，兩者都是依靠強磁場把高温等離子體限制在環形空間內，實現可控核聚變。

但最顯著的不同在於磁場。一般來説，磁約束可控核聚變的磁場可以分為環向和極向磁場，其中環向磁場在可控核聚變中負責主約束作用，是用於抑制高温等離子體在徑向的擴散、保證聚變反應持續和穩定運行的物理核心。

在只有環向磁場時，帶電粒子會（因曲率漂移和梯度漂移）整體產生垂直漂移，難以實現長期約束。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做複雜運動，抑制粒子的垂直漂移和擴散，提高等離子體的穩定性和能量約束。

由於託卡馬克幾何外形更加簡單，極向磁場主要由等離子體環向電流產生，外部極向場線圈用於形狀與位置控制，而仿星器通過複雜三維幾何設計的外部超導線圈直接產生所需的環向和極向磁場，幾乎無需依賴感應等離子體電流，理論上可實現無感應電流的穩態運行。

託卡馬克與仿星器 圖片來源：IAEA

所以一般認為，儘管託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。這裏我們可以引入一個至關重要的概念，也就是聚變三乘積，從數據的角度直觀感受不同路線之間的差別。所謂聚變三乘積就是衡量聚變系統是否能實現自持聚變反應（點火）和能量增益的基本判據，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）、温度T（單位為千電子伏特，1電子伏特約等於11605K）、能量約束時間τ（單位為秒）的乘積。只有當聚變三乘積達到或超過某一閾值時，聚變反應才能實現自持燃燒。

在此需要補充一點，那就是根據分子運動理論，理想氣體中，每個粒子的平均動能與温度的關係是：

於是，我們可以將等離子體温度理解為等離子的平均動能代入聚變三乘積。在計算中，需要考慮到，兩個粒子發生核反應的概率與粒子的動能高度相關，對於氘-氚（D-T）核反應來説，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的因素考慮，託卡馬克的T的設計值大約在10–20keV之間，在宏觀温標下約為億開爾文級。

而當前激光聚變研究最關注的温度範圍，則是3.5-6.5keV範圍內，這一温度雖然低於10keV，但是同時也意味着兩條路線之間在等離子宏觀温度上沒有顯著的數量級差距。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在密度n與能量約束時間τ之間的取捨。

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，以理想狀態等離子體温度為10keV（宏觀約為1.1億度）的D-T反應為例。當聚變反應產生的能量大於輸入的能量（即Q>1），nτ≥10^20(s/m^3)，這使得n的數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，然後假設有個人從慣性約束角度觀察磁約束聚變，並把慣性約束的有效時間定義為“一秒”，那麼在他的時空視角下，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，才能達到實現聚變的門檻。而這一密度已經是正常固體的原子數密度的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Q>1所需要的nτ值≥10^22（s/m^3），相比於磁約束大兩個數量級。

不同技術路線對不同參數的取捨其實並不令人意外，因為追根溯源，兩者的研究初衷有本質不同。簡單來説，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關係更深，後文會有詳細論述。

可控核聚變的難點

路線的不同使得可控核聚變不同路線在設計製造上的難點既有共性也有特性。僅就共性而言，所有可控核聚變路線和裝置都面臨一個問題，那就是第一壁材料應該如何選擇。由於可控核聚變本身必然產生大量核輻射，而長時間的核輻射會對主體結構造成不可逆的破壞。為了減少乃至解決這一問題，可控核聚變都需要在主體結構（包括內壁）與核反應區之間設置一層用於減弱或屏蔽輻射的結構，也就是所謂第一壁。

第一壁是包圍等離子體或聚變靶腔的最內層材料，它將在反應過程中首先承受聚變產物（主要是高能中子、X射線、α粒子等）轟擊和加熱。這意味着第一壁材料需要具備耐高温、抗輻照等性能。

一般來説，第一壁有幾種潛在可行的技術路線：高熔點金屬（如鎢、鉬、鉻鋼）：抗高温、抗輻照能力強，表面可塗覆納米陶瓷層等材料以抵抗X射線。低活化合金、陶瓷複合材料：減緩中子活化、便於廢料管理。流動液態壁技術（如液態鋰）：可部分自修復損傷、帶走表面能量，減小固體材料疲勞。多層複合結構設計：以兼顧/實現強度、熱導率、輻射防護等多種功能。

雖然筆者尚不清楚不同技術路線對第一壁材料的具體偏好，但這是所有可控核聚變路線必須考慮的問題。

除了第一壁材料，每種可控核聚變路線都有自己的難點。以託卡馬克為例，超高温等離子體內部的密度、温度、流速、組分在空間和時間上高度非均勻，這使得等離子體本身的不穩定會在外部磁場等作用下被進一步放大（出現如撕裂模、鎖模、鋸齒振盪、邊界局域模等問題），導致磁場結構、能量和粒子約束能力突變，甚至直接引發“等離子體破裂”。

而這一問題與其基礎設計直接相關：極向磁場需靠外部線圈進行形狀控制和補償。可以説，這個問題是從孃胎裏帶出來的。正因如此，等離子體控制成為限制託卡馬克裝置商業化的重要技術難點，也促使人們探索無需大電流驅動的仿星器路線。

但是仿星器的優勢也是其劣勢所在。相比於幾何構型相對簡單的託卡馬克裝置，仿星器磁場必須依靠高度非軸對稱、複雜三維扭曲的外部線圈精確生成，設計計算極其複雜，對幾何精度和製造誤差極為敏感。

而且仿星器線圈體積龐大，形狀各異，關鍵部位裝配和定位精度要求達到毫米甚至微米級，否則磁面容易破壞，等離子體約束急劇惡化。此外由於完全靠內部等離子體形成極向磁場，對於等離子體內部的自舉電流控制、雜質抑制和邊界等離子體控制都有更高要求。

這使得仿星器現在不僅造價高昂，還在聚變三乘積等關鍵工程參數上也遠遠落後於託卡馬克裝置，在進度上落後於託卡馬克裝置路線。

而在慣性約束上，激光可控核聚變和Z-箍縮也有各自獨特的難點。

拋開持續輻射損傷不談，激光可控聚變的難點集中在激光與靶丸本身。眾所周知，要實現商業發電，激光點火裝置就需要高頻高精度持續對靶丸進行點火，即使不考慮核輻射對相關器件的破壞力，單單實現幾秒一次，甚至每秒幾次對靶丸進行間斷照射就是一個巨大的難題。

而且激光照射不僅涉及大功率照射問題，還涉及能量耦合與驅動效率問題。激光可控核聚變每次脈衝激光能量在兆焦耳量級，並分配到複數束激光進行同步照射，其中美國的NIF設計採用192束激光驅動，而中國神光三號實驗裝置採用了48束激光。

同時，需要説明的是，激光點火有三種驅動模式，直接驅動、間接驅動和混合驅動。在直接驅動激光聚變中，驅動靶丸內爆的源是激光。為一定程度上規避激光-等離子體相互作用的不利影響，驅動激光的強度要求控制在I=10^15 W/cm^2左右，光壓為0.3×10^6個大氣壓。

激光直接驅動慣性約束聚變示意圖 圖片來源：“淺談激光聚變”

在間接驅動激光聚變中，驅動靶丸內爆的源是由激光轉換而來的X光，X光場的温度在300eV左右，輻射壓為0.37×10^6大氣壓。光壓或輻射壓與聚變點火需要的氘氚等離子體壓強相差很大，需要增壓。

激光聚變間接驅動方式示意圖 圖片來源：“淺談激光聚變”

而在混合驅動中，科學家會先用X光驅動靶丸，然後在X光驅動源主脈衝階段疊加激光脈衝，以提高驅動壓強，達到改善內爆性能的目的。

混合驅動激光聚變示意圖 圖片來源：“淺談激光聚變”

三種路線中，直接驅動模式對於激光要求太高，因此以美國激光核聚變裝置為代表的可控核聚變路線主要採用的是間接驅動模式（而且這對於很多國家來説可能更熟悉）。近年來，我國也在推進圍繞混合驅動涉及的關鍵物理過程實驗。根據一些論文透露的信息，我國應當已經基於神光激光裝置開展了混合驅動激光聚變的驗證實驗，在混合增壓效應等領域的研究已經得到了實驗的定性支持。

回到現階段的激光可控核聚變上，2022年12月13日，美國能源部宣佈2022年12月5日NIF裝置物理實驗聚變放能大於驅動激光能量，實現熱核聚變點火。此後，又有NIF裝置的三次物理實驗實現了聚變放能大於驅動激光能量。不少人對於此次可控核聚變實驗有一定誤讀，認為是整體輸入能量小於整體輸出（Q>1），實則不然。

以2022年12月5日聚變點火實驗為例，其物理結果是聚變放能3.15±0.16MJ，對應聚變中子數（聚變發生的次數）為1.1×10^18個，也就是發生聚變的氘氚質量為9µg（假定氘氚的核子數比1:1）。實驗初始氘氚裝量是0.22mg，則氘氚燃耗是4.1%左右。1公斤TNT炸藥的放能為4.19MJ，聚變放能3.15MJ相當於750克TNT炸藥的放能。只能説其釋放能量大於單次驅動的激光能量，但遠小於整個系統的消耗電能。

説回到激光核聚變的難點本身，也就是靶丸製造上。而用於點火的靶丸分為三層，其中燒蝕層位於最外層，傳統上由碳氫化合物構成，作用是當激光照射時，外層材料迅速氣化並向外膨脹，產生反衝力推動內層向內壓縮。燃料層位於燒蝕層內，包含固態的氘氚冰，是聚變反應的燃料。中心填充氣體在靶丸內部，通常填充有氣態的氘氚燃料，為聚變反應提供初始燃料。而在靶丸外部還有一個專門的黑腔用於注入氦氣以及提供間接驅動所需的X光。

激光點火靶丸示意圖圖片來源：“淺談激光聚變”

美國人公佈的2022年激光點火實驗靶丸示意圖 圖片來源： “Achievement of target gain larger than unity in an inertial fusion experiment”

根據美方公佈的論文和圖片，2022年12月引發世界關注的實驗中的靶丸相比於早年的設計又有所改進，四次實驗的靶丸外部採用貧鈾鍍金的圓柱形黑腔封裝；圓柱形黑腔的中心放置裝填有氘氚的靶丸，靶丸由外向裏的結構為：微晶金剛石組成的高密度碳、氘氚冰和氘氚氣體。

但無論怎麼改進，激光可控核聚變有兩個天然難點。第一個是激光能量通過等離子體與燃料靶丸的實際耦合效率較低，大量能量損耗在外部等離子體、X射線預熱等過程中，難以充分傳遞到燃料核心。根據《物理》2024年第5期上刊登的“淺談激光聚變”一文測算：“靶丸吸收的X光能量是激光能量的15%左右，飛層動能又是這部分能量的15％左右，也就是説壓力做功壓縮的球殼材料和氘氚層的動能只有激光能量的2%左右。”

激光聚變間接驅動方式能量轉換示意圖圖片來源：“淺談激光聚變”

而只有在飛層向心運動，向心壓縮形成高密度主燃料層，同時飛層的部分動能轉化為芯部氘氚內能後，才能形成高温點火熱斑，實現熱核聚變點火和燃燒，放出聚變能。

第二個，這種點火方式對靶丸的幾何對稱性極為敏感，甚至可能會對錶面粗糙度的要求達到微米級以下，遠低於一根頭髮絲直徑。在這一背景下，如何低成本批量製造靶丸亦是巨大難題。

最後我們談談Z-箍縮的難點，它的難點本身也就是它的特點。也即，如何控制向等離子體柱通入百萬到千萬安培級的脈衝電流，並保證等離子體的穩定性，使其不斷裂，不扭曲膨脹乖乖地進行核反應。同時極高電流也會對功率源設計、絕緣體強度、電極壽命、觸發系統精度等造成挑戰。

等這一切解決完了之後，Z-箍縮還有一個問題需要解決，那就是如何從低頻脈衝運行向高頻連續點火轉變。

綜合看來，相比於更温和的磁約束，慣性約束的問題在於如何高頻率穩定且相對低成本地輸出電力。

中美地技術線路真的有不同嗎？

由於NIF在2022年那次的“點火”實驗過於出圈，不少人以為中國主要採用的是託卡馬克實現可控核聚變，而美國人主要採用激光點火路線實現可控核聚變，但這是不準確乃至錯誤的。

從現有情況看，我們基本可以認為，中美在所有技術路線及聚變－裂變混合堆領域都在進行技術嘗試。

在磁約束核聚變方面，毫無疑問全球排名第一的方向就是託卡馬克路線。無論是國際上最重要的示範堆ITER還是中國的東方超環（EAST）、中國環流三號（HL-3），抑或美國能源部支持、位於普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的國家球形託卡馬克實驗（NSTX/NSTX-U）和源於麻省理工學院的聯邦聚變系統公司（CFS）均為託卡馬克裝置（磁約束聚變）。

從短期看，隨着位於四川成都的新一代人造太陽HL-3在3月28日首次實現離子温度與電子温度均突破1億攝氏度（其中離子温度1.17億攝氏度、電子温度1.6億攝氏度的參數水平），其有望在未來5年內以技術調整而非大規模升級的方式，在國內首次開展氘氚實驗，實現可觀的聚變功率輸出。在未來中國國內的主流可控核聚變裝置發展路徑也會主要沿着託卡馬克的發展路徑推進。

而在我們談論激光可控核聚變的時候，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，其設計之初就有極其濃厚的軍事因素。

這是因為，雖然大國對於核反應以及核武器都有較深研究，但是相關研究的經驗成分相當高，核反應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，以更加優化原有的核武器，尤其是氫彈的設計路線。

或者更直白地説，如果能徹底搞清楚激光可控核聚變，並將其工程化，其相關數據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（乾淨核武器）設計進度。

以美國的NIF為例，其位於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是美國能源部內負責核武器安全、核材料管控、核不擴散等事務的半獨立機構，直接服務於美國的核武器項目。

而一旦追根溯源，我們就會發現，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計而建立的機構。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室1952年由加州大學伯克利分校建立，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、歸加州大學管轄。

與核武器高度相關的特點使其在民用應用領域具有天然劣勢，在原子彈尚處於管控狀態的今天，大規模商用可以直接為氫彈設計提供參數和原理驗證的核裝置明顯不合時宜。出於國家安全考慮，短期內，我們很難想象，由國防產業和軍隊主導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先級。再考慮到Z-箍縮本身不是一種主流的發展方式，並且對於等離子體控制、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論：全球可控核聚變實現的關鍵在於磁約束聚變，實現的具體時間表將以託卡馬克的發展時間表為準。

Zap Energy官網截圖

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

託卡馬克還需要50年嗎？

雖然可控核聚變一直有個老梗“永遠還差五十年”。但是從現在的工程發展的角度看，我們已經不需要再等50年了。因為在原子核温度突破億度之後，我們就離實現可控核聚變只差臨門一腳。

根據HL-3總設計師鍾武律在社交平台上的文章，“雙億度”節點標誌着我國在聚變能研發的道路上成功跨越了一道關鍵門檻——我國聚變裝備具備了聚變燃燒相關的高參數運行能力。

鍾武律進一步解釋道，要實現核聚變，原子核的温度要超過1億度。達到該温度後注入燃料，即可發生大規模聚變反應，這次實驗的成果就意味着具備開展燃燒實驗的基本條件了，這個門檻已經邁過去了。

美國、歐盟的兩個託卡馬克裝置曾經實現燃燒實驗，但均已退役，目前在運行的裝置裏面，還沒有開展燃燒實驗的。至於燃燒實驗這個時間點選擇，鍾武律表示“我們希望能夠通過兩三年的時間，全面升級整個裝置，然後再實現堆芯級參數的運行。”

而且鍾武律展望稱，“我們目前（HL-3）實驗裝置也才發揮40%左右的能力，下一步，我們對整個裝置進行全面升級以後，將會達到我們的設計目標，聚變實驗，優化運行方案，探索如何更加有效地提高‘聚變三乘積’，同時可以研究比如説阿爾法粒子的一些行為等前沿物理問題。然後，我們就要把聚變功率放大，讓聚變功率的輸出大於輸入的功率，這是未來我們商用要實現的一個目標。

中國環流三號

換句話説，HL-3已經處於點燃可控核聚變的門檻附近，而且在經歷升級之後，理論上可實現工程化驗證，我們將拭目以待其能否實現短時間Q>1的目標。

更值得注意的是，我國的可控核聚變實驗佈局絕不僅僅聚焦於短時間Q>1的設備可行性驗證。在中國現在的可控核聚變佈局中，EAST和HL-3承擔了兩個不同的任務。

EAST主要承擔了長脈衝科研需求，所以我們會看到，此前在1月20日，該裝置成功率先實現了上億攝氏度、持續1066秒的穩態長脈衝高約束模（H-mode）等離子體運行，再次創造了託卡馬克裝置高約束模運行新的世界紀錄。而HL-3則承擔了高參數的科研任務，所以“雙億度”等實驗的重點主要由HL-3承擔。

鍾武律總師此前就在採訪中表示可控核聚變要實現商用，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模實驗，要得到大量的數據，獲得一些規律；第三階段就是要開展燃燒實驗，實現聚變反應、獲得聚變功率；第四階段，就要建造實驗堆；第五階段，示範堆；最後就是商用堆。

目前，從全球來看正處於燃燒實驗到實驗堆過渡的階段。對於中國來説，首先得開展燃燒實驗、獲得聚變功率，下一步要建造聚變堆，開展相關工程技術的驗證，來支撐在本世紀中葉實現聚變的商用。

這一表態也是本輪國內聚變熱的核心驅動。可以説一旦HL-3和EAST在燃燒實驗上實現突破，那麼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“夸父啓明”）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/帶動整個行業的投資熱潮。

這類實驗堆將與HL-3以及EAST有較大不同，從設計上就更加貼近未來的商用堆，並解決未來實際使用中的一系列難題。要知道EAST和HL-3遠非理想中的託卡馬克裝置，就以市場之前最關注的超導材料運用來説，EAST並沒有使用高温超導磁體，而HL-3由於關注高參數衝刺，不需要長時間工作，且需要經常性進行細節調整，所以其在設計時就沒有采用超導體。

超導的重要性

對於託卡馬克以及所有磁約束可控核聚變來説，超導非常重要。有三個原因：第一是磁場強度，第二是焦耳熱問題，第三是體積管理。

首先是磁場強度，我們都知道磁約束的原理是用強磁場約束等離子體進行反應，而且由於環向磁場主要由外加線圈提供；極向磁場主要由等離子體電流並輔以外部線圈產生。這一基礎設計讓外部磁場對託卡馬克性能影響顯著。

在託卡馬克裝置中，磁場強度增強既有利於增加粒子約束能力，又能降低迴旋半徑；另一方面強磁場能夠減少粒子的徑向擴散。在實驗中，我們可以大致定性得出結論，磁場強度的平方與有效約束時間成正比。同時經過理論推導和實驗驗證，在至關重要的聚變功率方面，我們也得到一個結論：託卡馬克裝置單位體積的聚變功率密度正比於磁場強度的4次方。

這使得無論是Q值還是託卡馬克裝置的最終功率和體積，磁場強度都至關重要。

在託卡馬克裝置中被約束的等離子體

那什麼樣的材料能實現較高的磁場強度呢？這裏需要分類討論。從維持較長時間的核聚變反應的角度看，超導在持續強磁場方面相對銅材具有壓倒性優勢。

但由於短時間電磁場做功後，微觀粒子相互作用會產生無序熱運動，這會導致在強磁場下，局部電磁能轉化為熱能。如果電磁能轉化過快，當局部温度快速突破臨界值時，超導材料會出現失超現象。

這使得相對臨界温度更低的低温超導在等離子體內部峯值磁場強度方面不僅會低於高温超導一個數量級乃至更多，甚至會在秒級尺度上低於銅材料所能提供的峯值磁場強度。這也使得在原型階段，衝擊高參數的HL-3出於需要頻繁改動、試驗不同磁場波形的需求以及磁場強度需求，選擇銅導體而非如EAST採用全低温超導。

基於上述討論，我們就可以談談超導對於熱管理和體積管理的影響了。

初中我們就學習了焦耳定律，也即電流通過導體時電能轉化為熱能Q=I^2Rt。而在託卡馬克中，環向磁場的強度和外部線圈電流成正比。這使得在大電流情況下，必須要儘可能降低電阻才能有利於長時間的穩定工作。所以為了解決這個問題，高温超導（及未來可能實現的室温超導）對實現可控核聚變的商用化至關重要。

而且考慮到託卡馬克裝置單位體積的聚變功率密度理想狀態下正比於磁場強度的4次方，理論上來説，僅就功率而言，提升一倍的磁場可以讓聚變的功率密度提升16倍，這將顯著降低未來可控核聚變的體積，提高反應堆參數。

所以，在HL-3帶領我們跨過第三階段，也即開展燃燒實驗，實現聚變反應、獲得聚變功率階段後。進入第四階段（實驗堆建設）後，預計將陸續啓動多項全超導，尤其是採用高温超導的託卡馬克堆項目。

根據計劃，我國的BEST裝置雖然依然以Nb₃Sn/NbTi低温超導材料為主，但會在局部高磁場部件嘗試國產高温超導。根據計劃，進一步發展的CFETR雖然會在主迴路磁體依舊延續ITER的技術路徑，以Nb₃Sn/NbTi超導材料為核心，但是會加入更多的高温超導材料。當然我們不排除隨着以稀土鋇銅氧 （Rare Earth Barium Copper Oxide，REBCO）為代表的高温超導材料在工業化生產能力和性能均獲得顯著提升，相關計劃會提前的可能。

事實上，在私人投資領域，我國已經有人進軍全高温超導託卡馬克裝置。上海初創公司能量奇點能源科技（上海）有限公司在2024年就宣佈，從2022年3月開始設計工作，並於2024年2月安裝完工的全高温超導託卡馬克裝置“洪荒-70”（HH-70），已經在2024年6月18日成功實現等離子體放電。

經天磁體及其運行測試系統 能量奇點

根據能量奇點的計劃，其將在2027年完成下一代強磁場高温超導託卡馬克裝置——“洪荒-170”（HH-170）的建設，並希望該裝置實現Q＞10的目標。為支持“HH-170”的研發，能量奇點也在研發高温超導D形磁體，內部代號為“經天”磁體。該磁體已經在今年3月產生了高達21.7T的磁場，超越了美國麻省理工學院和CFS公司的世界紀錄。但是這還沒到達其設計目標，據悉，該磁體的設計磁場強度高達25T，這一指標將顯著高於ITER項目採用的磁鐵磁場強度。

值得注意的是，能量奇點公司曾於2022年和2023年分別進行過天使輪和Pre-A輪融資，參投股東包括米哈遊、蔚來等企業。而且這並不是中國範圍內唯一的初創可控核聚變企業，未來隨着技術的突破以及中國商業資本越來越多地關注可控核聚變概念，更多的公司將會出現在我們眼前。

結語

隨着各國加大對於可控核聚變的投入，可控核聚變技術已從曾經被視為工程上幾乎不可能的挑戰，逐步分解細化為一系列擁有明確路線圖和時間表的技術攻關任務。而且隨着材料學的進步，以中國為代表的各國已經相對清晰地畫出可控核聚變實現的路線圖和時間表。

根據我國路線圖，以CFETR為例，計劃於2035年左右建成該裝置並投入運行，初期將實現100-200MW的聚變功率輸出；並計劃在21世紀40年代實現1GW的淨功率輸出，2050年前建成示範聚變電站並向電網供電。

今年3月27日，新華社就以“商業化競速：‘人造太陽’如何照進現實？”為題報道了中國商業核聚變的發展情況。文中，中核集團聚變領域首席科學家段旭如表示，“從全球發展看，聚變商用有望在2050年前後實現，但也不排除隨着高温超導、人工智能、先進材料等技術的突破，商業落地時間進一步提前。”

相信隨着我國相關計劃的推進，中國可控核聚變乃至世界可控核聚變已經從“永遠的五十年”，逐漸變得觸手可及。

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