中國(guó)核聚變目標(biāo)：2030年發(fā)出“第一度電”

核聚變?nèi)悦媾R著科學(xué)與工程技術(shù)的多重難題，預(yù)計(jì)到2040年后才將進(jìn)入商業(yè)化驗(yàn)證的窗口期

文｜《財(cái)經(jīng)》研究員 馬銘澤

編輯｜黃凱茜

可控核聚變正處于從基礎(chǔ)研究邁向工程化應(yīng)用的階段。目前中國(guó)正在瞄準(zhǔn)百兆瓦級(jí)別的核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)施推進(jìn)建設(shè)，預(yù)計(jì)在2030年實(shí)現(xiàn)發(fā)電。4月17日，中國(guó)科學(xué)院等離子體所研究員李建剛在2026核能可持續(xù)發(fā)展論壇上介紹。

這個(gè)項(xiàng)目位于安徽合肥，為中國(guó)科學(xué)院等離子體所牽頭的聚變能實(shí)驗(yàn)裝置（BEST），目標(biāo)聚變功率達(dá)到20兆瓦-200兆瓦，演示聚變能發(fā)電。李建剛介紹，合肥項(xiàng)目將圍繞著2027年建成實(shí)驗(yàn)設(shè)施（BEST）、2035年建成示范設(shè)施（CFEDR）、2040年開(kāi)始商業(yè)化進(jìn)程的整體目標(biāo)推進(jìn)。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的技術(shù)積累與裝置運(yùn)行驗(yàn)證，可控核聚變研究被分為原理探索、規(guī)模試驗(yàn)、燃燒實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)堆、示范堆、商用堆六個(gè)階段，目前中國(guó)聚變技術(shù)處于燃燒實(shí)驗(yàn)階段。

中國(guó)聚變能源有限公司總工程師鐘武律在同一個(gè)論壇上表示，未來(lái)將通過(guò)實(shí)驗(yàn)堆、示范堆、商用堆的三階段發(fā)展路徑，分批攻克關(guān)鍵技術(shù)，不斷提升核心參數(shù)，逐步釋放技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠、具備規(guī)模化部署能力的聚變產(chǎn)業(yè)體系；而在第一步實(shí)驗(yàn)堆階段，需要全面驗(yàn)證聚變的工程可行性，還有大量關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

作為典型“大科學(xué)工程”，核聚變需要長(zhǎng)期持續(xù)且大規(guī)模的技術(shù)、資金投入和產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)。在“十五五”規(guī)劃中，氫能與核聚變能、量子科技、具身智能等六個(gè)產(chǎn)業(yè)共同被列入未來(lái)產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)方向；提出強(qiáng)化可控核聚變的技術(shù)攻關(guān)，突破氚燃料制備循環(huán)、材料輻照考驗(yàn)、高性能激光、超導(dǎo)磁體制造等核聚變關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展聚變氘氚燃燒等離子體運(yùn)行實(shí)驗(yàn)和多技術(shù)路徑可行性驗(yàn)證，推進(jìn)核聚變研發(fā)工程化進(jìn)程。

兩支核聚變“國(guó)家隊(duì)”

聚變的基本原理是氫的同位素（氘和氚）在極高溫度和壓力下發(fā)生原子融合，釋放出巨大能量，反應(yīng)過(guò)程與太陽(yáng)的能量來(lái)源相同，因此被稱(chēng)為“人造太陽(yáng)”。

當(dāng)前主流的可控核聚變反應(yīng)，第一步是將氘氚氣體電離，使其變成等離子體，然后再由外部加熱系統(tǒng)將等離子體加熱到上億攝氏度，這時(shí)兩個(gè)帶正電的原子核將發(fā)生融合反應(yīng)。由于溫度極高，需要通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)將等離子體懸浮在裝置內(nèi)部，避免接觸容器壁。反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的α粒子在磁場(chǎng)約束中維持等離子體的高溫，從而讓融合反應(yīng)持續(xù)，實(shí)現(xiàn)“自持燃燒”，而另一個(gè)產(chǎn)物中子將實(shí)現(xiàn)燃料增殖和能量釋放。

中國(guó)聚變產(chǎn)業(yè)當(dāng)前最受關(guān)注的，是由兩支“國(guó)家隊(duì)”推進(jìn)的兩個(gè)重點(diǎn)裝置，均基于磁約束托卡馬克（Tokamak）技術(shù)路線：一是由中國(guó)科學(xué)院牽頭組建的中國(guó)聚變新能公司（下稱(chēng)“聚變新能”），圍繞“東方超環(huán)”（EAST）裝置，重點(diǎn)驗(yàn)證聚變所需的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行能力。另一個(gè)是中核集團(tuán)下屬的中國(guó)聚變能源有限公司（下稱(chēng)“中國(guó)聚變”），依托核工業(yè)西南物理研究院的新一代人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”開(kāi)展堆芯級(jí)等離子體物理實(shí)驗(yàn)研究，加速推動(dòng)中國(guó)的聚變研究進(jìn)入燃燒實(shí)驗(yàn)新階段。

聚變新能公司成立于2023年，是在中科院等離子體物理研究所的技術(shù)積累基礎(chǔ)上成立的產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，引入安徽省國(guó)資（合計(jì)持股75%）、中國(guó)石油旗下產(chǎn)業(yè)資本運(yùn)營(yíng)平臺(tái)昆侖資本（持股20%）以及社會(huì)資本共同參與，注冊(cè)資金145億元。

在磁約束聚變反應(yīng)中，等離子體性能關(guān)鍵在于密度、溫度和能量約束時(shí)間三者乘積（聚變?nèi)朔e），通常認(rèn)為實(shí)現(xiàn)聚變?nèi)紵枰_(dá)到10的21次方量級(jí)。在其他條件不變的情況下，密度越高，聚變頻率就越高。然而攻克等離子體密度一直是國(guó)際難題。

2025年，“東方超環(huán)”實(shí)現(xiàn)了千秒級(jí)（約1066秒）等離子體穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著其在長(zhǎng)脈沖、高參數(shù)運(yùn)行能力上達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。2026年1月，該裝置在實(shí)驗(yàn)中突破長(zhǎng)期制約托卡馬克裝置的密度極限，實(shí)現(xiàn)了高密度條件下的穩(wěn)定等離子體運(yùn)行，大幅提高聚變的能量增益。在“東方超環(huán)”的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)在2027年建成下一代聚變裝置BEST。

另一支“國(guó)家隊(duì)”中國(guó)聚變于2025年掛牌成立，依托中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院（下稱(chēng)“西物院”）60年的發(fā)展基礎(chǔ)推進(jìn)組建，注冊(cè)資本150億元，中核集團(tuán)及其旗下上市公司中國(guó)核電合計(jì)持股57%，同時(shí)引入產(chǎn)業(yè)資金中國(guó)石油昆侖資本（20%）、上海未來(lái)聚變能源（11.81%）、國(guó)綠基金（3.19%）和浙能電力（5%）等股東。

在核聚變研究中，等離子體溫度達(dá)到上億攝氏度是發(fā)生聚變反應(yīng)的基本條件。2025年3月，中國(guó)環(huán)流三號(hào)首次實(shí)現(xiàn)突破“雙億度”：即離子溫度達(dá)到1.17億度、電子溫度達(dá)到1.6億度，標(biāo)志著中國(guó)核聚變研究快速挺進(jìn)“燃燒實(shí)驗(yàn)”階段。同時(shí)，中國(guó)環(huán)流三號(hào)的聚變?nèi)朔e達(dá)到10的20次方量級(jí)，成功接近10的21次方的點(diǎn)火目標(biāo)。

中核集團(tuán)聚變領(lǐng)域首席科學(xué)家段旭如3月在接受《中國(guó)電力報(bào)》采訪時(shí)表示，預(yù)計(jì)中國(guó)在2027年可開(kāi)啟聚變能燃燒實(shí)驗(yàn)研究；2035年左右，建成首個(gè)工程實(shí)驗(yàn)堆；2045年左右，建成首個(gè)商用示范堆。

科學(xué)與工程挑戰(zhàn)

在人類(lèi)能源需求持續(xù)增長(zhǎng)、資源與環(huán)境壓力不斷加大的背景下，可控核聚變被視為“能源終極解決方案”。

當(dāng)前主流聚變反應(yīng)使用燃料氘可從海水直接提取，氚可用氘反應(yīng)制得。同時(shí)，聚變過(guò)程不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命高放射性廢物，安全性更高，符合未來(lái)清潔能源體系的發(fā)展方向。隨著人工智能、數(shù)據(jù)中心等高耗電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對(duì)穩(wěn)定、大規(guī)模的低碳電力需求持續(xù)上升，核聚變提供了一種兼具高能量密度與可持續(xù)性的潛在解決方案。

據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)《2025年世界聚變展望》報(bào)告，全球有近40個(gè)國(guó)家正在推進(jìn)聚變計(jì)劃。據(jù)聚變咨詢機(jī)構(gòu)Fusion Energy Base統(tǒng)計(jì)，自2021年起，全球聚變公司的股權(quán)投資規(guī)模快速增長(zhǎng)，尤其是2023年之后，中國(guó)的投入顯著提升。2025年全球年度投資規(guī)模已接近40億美元，中國(guó)和美國(guó)占其中絕大部分投資額。

在核聚變國(guó)際合作中，ITER（國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）項(xiàng)目是當(dāng)前最具代表性的全球性大科學(xué)工程。項(xiàng)目由中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)和印度七方共同參與建設(shè)，中國(guó)科學(xué)院和中核集團(tuán)也是ITER項(xiàng)目成員。按照設(shè)計(jì)，其目標(biāo)是在數(shù)百秒尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)約500兆瓦的聚變功率輸出，能量增益達(dá)到10倍（即輸出的聚變能量是輸入加熱能量的10倍）。

ITER項(xiàng)目選址于法國(guó)卡達(dá)拉舍，目前正處于安裝與系統(tǒng)集成階段，真正決定聚變可行性的氘氚聚變實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍需等到2039年左右才能揭曉。

鐘武律表示，當(dāng)前聚變領(lǐng)域還存在三大科學(xué)問(wèn)題與三大工程問(wèn)題尚未解決。

三大科學(xué)問(wèn)題包括：其一，還未能實(shí)現(xiàn)高溫等離子體穩(wěn)態(tài)自持燃燒、真正開(kāi)始聚變反應(yīng)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏；其二，在高溫、高能粒子沖擊的極端工況下，聚變堆結(jié)構(gòu)材料損傷如何解決；其三，關(guān)鍵燃料氚能否實(shí)現(xiàn)規(guī)模化循環(huán)利用。

三大工程問(wèn)題為：其一，大型高溫超導(dǎo)強(qiáng)場(chǎng)磁體技術(shù)是全球聚變領(lǐng)域的共識(shí)，但仍未能直接應(yīng)用，還需解決如機(jī)械應(yīng)力、失超保護(hù)的挑戰(zhàn)，并在復(fù)雜“電磁-熱-力”多場(chǎng)耦合條件中獲得測(cè)試數(shù)據(jù)；其二，是等離子體的運(yùn)行與控制，亟待加強(qiáng)應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行等離子體破裂預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)，有效維持等離子體穩(wěn)定性；其三，熱量的傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)換問(wèn)題，高強(qiáng)度且高度不穩(wěn)定的熱量能否被安全導(dǎo)出并有效利用。

鐘武律認(rèn)為，高溫超導(dǎo)和人工智能兩項(xiàng)技術(shù)將為聚變能的發(fā)展提供重要支撐，下一步應(yīng)依托中國(guó)核工業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢(shì)，以及長(zhǎng)期積累的技術(shù)基礎(chǔ)推進(jìn)工程實(shí)驗(yàn)堆建設(shè)，率先演示驗(yàn)證聚變?nèi)∧芘c熱電轉(zhuǎn)化全過(guò)程、燃料增殖與循環(huán)全系統(tǒng)全流程，解決聚變能工程可行性關(guān)鍵核心問(wèn)題。

“聚變（的話題）很熱，但也不要被這股熱浪燒暈了。”李建剛指出，相比裂變，聚變的復(fù)雜程度要高得多，它幾乎把地球上所有的關(guān)鍵技術(shù)都用了一遍，單是主機(jī)系統(tǒng)就要用到低溫技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、電磁系統(tǒng)、氚相關(guān)技術(shù)等。同時(shí)還橫跨廣泛的，且有待驗(yàn)證的科學(xué)問(wèn)題、工程技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈條：上游的材料體系涵蓋金屬、無(wú)機(jī)非金屬、碳基材料及各類(lèi)絕緣材料；中游涉及數(shù)量龐大且種類(lèi)繁雜的關(guān)鍵部件；下游則是更為復(fù)雜的運(yùn)維體系。

責(zé)編 | 張生婷

題圖來(lái)源 | 視覺(jué)中國(guó)