可控核聚變究竟是個啥？

編者按：7月22日，中國聚變能源有限公司在上海掛牌成立。今年以來，核聚變概念在資本市場逐漸升溫，已有多家上市公司宣布布局核聚變能源產業鏈。更有院士公開表示，預計5年內點亮第一盞“核聚變燈”。究竟什么是“可控核聚變”？為什么它被稱為“人造太陽”？可控核聚變技術何時能夠實現商業化？

想象一下，如果我們能在地球上重現太陽的能量產生方式，那會是什么場景？這就是科學家們正在攻關的“可控核聚變”。簡單來說，就是讓氫的同位素（氘和氚）在極端高溫高壓環境下發生核聚變反應，同時確保整個過程安全可控。

之所以被稱為“人造太陽”，是因為這個技術原理與太陽發光發熱的本質如出一轍。在太陽核心，1500萬攝氏度的高溫讓氫原子不斷碰撞聚變，釋放出巨大能量。

核聚變釋放的能量遠高于化學反應。單次核聚變反應釋放的能量約為化學反應的10?至10?倍（百萬至千萬倍）。因此，核聚變的功率遠大于化學燃燒，但其實現難度也更高。

人類如果能掌握這項技術，就相當于在地球上建造了一個微型太陽，為人類提供近乎無限的清潔能源。

核聚變與核裂變：能源技術的代際差異

核聚變與核裂變是兩種不同的核反應形式。目前核電站主要采用核裂變技術，其燃料通常選用自然界中最重的元素——鈾。在天然鈾礦中，僅有約0.7%的鈾-235可用于核裂變反應，因此需要通過濃縮工藝提高其濃度。鈾-235在受到低能中子轟擊時會發生裂變，分裂為兩個或多個較輕的原子核，同時釋放出大量能量。

核裂變反應的控制主要通過中子吸收和燃料棒插入深度的調節來實現。這種調控方式使得核裂變技術能夠穩定應用于核電站、核動力航母及核潛艇等能源系統。

這種方式雖然已經相對成熟，但也存在明顯局限：需要開采有限的鈾礦資源，會產生長半衰期放射性廢物，還存在核泄漏的安全隱患。

核聚變與核裂變在反應機制和實現方式上存在本質差異。核聚變首先需要使用數億度的高溫來引發燃料反應，并依靠聚變產生的α粒子維持該溫度以實現持續燃燒。由于聚變反應所需溫度極高（遠超常規材料的承受極限），目前主要采用磁約束方式實現可控聚變。其核心在于通過磁場控制等離子體空間分布，以實現反應的穩定維持。

目前，全球可控核聚變研究呈現多元化技術路線并行的格局。從核心要素來看，主要可從兩個維度進行分類：

從燃料維度來看，可分為氘氚（D-T）聚變和氫硼（p-B11）聚變。

從約束方式維度來看，一種是磁約束路線，即利用強大的超導磁場將高溫等離子體約束在環形裝置中，包括中國的“東方超環”EAST裝置、BEST裝置、中國環流三號（HL-3）、新奧玄龍-50U等，美國的SPARC項目，歐洲的ITER（國際熱核聚變實驗堆）都采用這種方式；另一種是慣性約束路線，通過高能激光瞬間轟擊燃料靶丸引發聚變，美國國家點火裝置（NIF）就是典型代表。

與核裂變技術相比，可控核聚變技術展現出革命性優勢：它的燃料氘可以直接從海水中提取，一升海水中的氘通過聚變反應釋放的能量相當于燃燒300升汽油；產生的廢料半衰期僅幾十年，遠低于核裂變的數萬年；更重要的是，聚變反應一旦出現異常就會自動停止，不存在爆炸風險。

從實驗突破到商業化展望

近年來，可控核聚變研究領域取得顯著突破。2022年，美國NIF首次實現可控核聚變反應的凈能量增益。2024年，該實驗再創紀錄，實現5.2兆焦耳能量輸出（Q值≈2.5）。

今年1月，中國的EAST裝置創下了新的全球紀錄，首次實現了1億攝氏度1066秒的穩態長脈沖高約束模式等離子體運行。與過去“還需50年”或“30年”的保守預期相比，當前實驗證據和技術進展已展現出更樂觀的前景。現有研究結果表明，實現可控核聚變的時間窗口可能縮短。若結合人工智能等新興技術，這一進程還可能進一步加快。

目前，多數實驗裝置為避免核污染影響設備性能，尚未使用聚變燃料運行。但未來5年內，我國緊湊型聚變能實驗裝置BEST計劃開展氘氚聚變實驗，并實現聚變能發電演示。這將成為一個重要里程碑，根據現有參數預估，一旦使用氘氚燃料，聚變功率將足以點亮第一盞“核聚變燈”。

不過，要實現商業化應用，科學家們還需要攻克更多難關，我們還需要保持耐心。樂觀估計，我們可能在2030年前看到示范堆建成，2040—2050年間實現首座商用核聚變電站并網，但要大規模推廣可能還要等到2060年以后。

可控核聚變承載著人類對清潔能源的終極夢想。雖然完全商業化可能還需要幾十年的時間，但每一次技術突破都在縮短這個距離。中國的科研團隊正在這一領域奮勇爭先，BEST裝置的開工建設標志著我們又邁出了堅實的一步。

對于普通投資者來說，既要對這項技術保持關注，也要理性看待市場的聲音。或許在不遠的將來，我們能夠見證“人造太陽”走入人類生活。

（本文作者系西安交通大學物理學院教授，本刊記者謝瑋采訪整理）

編輯：鄭雪 zhengxue@ceweekly.cn

美編：孫珍蘭