核聚變競賽變天：不拼大裝置改拼強磁場，中國押注一條更險的路

在核聚變領域，選錯路線幾乎等同于浪費十年。

從本質上來看，無論是托卡馬克（Tokamak）、仿星器、場反位形（FRC，F(xiàn)ield Reversed Configuration）還是其他類型，所有技術方案都繞不開的是等離子體約束這個第一性問題：如何有效約束上億度甚至更高溫的等離子體，并長時間維持其高密度，讓核聚變反應充分發(fā)生。

過去半個多世紀，全球最成熟的選擇始終是氘-氚（D-T）技術路線。它反應條件最低、相關物理過程最清晰，也幾乎寫進了所有國家級大科學裝置的設計圖紙，例如國際熱核聚變實驗堆（ITER）、緊湊型聚變能實驗裝置（BEST）、中國環(huán)流三號（HL-3）等。

DeepTech 注意到，由復旦大學現(xiàn)代物理研究所（核科學與技術系）許敏教授帶領的磁約束聚變團隊基于托卡馬克裝置選擇了一條“非主流”的氘-氦 3（D–3He）路線。那么，氘-氦 3 是一條怎樣的技術路線，它有可能讓核聚變走向一個更光明的未來嗎？

主流之外的選擇：為何有人挑戰(zhàn)更難的氘-氦 3 路線？

目前，國家級大科學裝置都不約而同選擇了氘-氚作為主流路線，這條路線相對成熟，研究也較為透徹。

一方面，氘-氚反應的優(yōu)勢在于反應速率高。對比不同技術路線在其各自最佳聚變反應溫度時，氘-氚反應截面比其他反應截面高 1-2 個數(shù)量級。

另一方面，與其他技術路線相比，氘-氚反應點火條件最低，約 3-5×1021 keV·s·m?3，因此被認為是“地球上最容易實現(xiàn)的聚變反應”。

但與此同時，這條路線也面臨嚴峻的挑戰(zhàn)：

第一，14 MeV 的高能中子帶來的材料問題。由氘-氚反應產(chǎn)生的高能中子，對材料（尤其是面向等離子體的部件）會造成輻照損傷，導致開裂、脫落、膨脹等。

除了抗高能中子輻照的要求，面向等離子體部件的材料還必須同時耐受高熱負荷，高達 10-20MW/m2。盡管全球科學家已經(jīng)篩選出一批候選材料，但還需要比較長的時間，才能找到適合氘-氚聚變反應堆極端條件的材料，并走完從實驗室研究到通過聚變真實環(huán)境下的考核測試，最后實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)的全過程。

第二，氚自持問題。氚是一種半衰期較短的核素（約 12.33 年），每年氚約 5.5% 會通過衰變轉變?yōu)楹?3，而自然界中幾乎不存在氚。因此，為滿足聚變發(fā)電的燃料需求，氚只能由聚變堆自身生產(chǎn)，實現(xiàn)氚的自我循環(huán)。

整個循環(huán)體系運轉起來后，氚的總量能夠維持基本平衡，不會越燒越少，甚至可能會越產(chǎn)越多。與聚變堆材料相同，氚循環(huán)系統(tǒng)也需要通過真實聚變環(huán)境下的測試來驗證有效的氚增殖能力，實現(xiàn)從實驗室研究到工程化、實用化的轉變。

盡管目前國際上選擇氘-氦 3 聚變反應路線的聚變公司和團隊并不多，但實際上，早在 20 世紀 80、90 年代，美國 ARIES 團隊的科學家已經(jīng)開始對氘-氦 3 聚變反應進行研究，甚至設計出了基于托卡馬克的聚變堆方案，并展望未來實現(xiàn)氘-氦 3 聚變堆的聚變電站以及相關參數(shù)。然而，彼時能產(chǎn)生強磁場的高溫超導（HTS，high-temperature superconducting）材料尚未成熟，氘-氦 3 聚變堆所需的強磁場還是一種“奢望”。

實際上，氘-氦 3 并不是一個更完美和更輕松的解決方案，而是用一個更難的物理條件，換掉兩個長期的工程難題。核聚變就像是一座山，氘-氦 3 路線就是科學家們選擇了的另一個攀登方向。這條路線顯著降低高能中子通量，能夠同時規(guī)避抗中子輻照材料問題和氚自持問題，但同時也要直面反應條件顯著提高帶來的極限挑戰(zhàn)。

也就是說，不是問題變少了，而是更“干凈”、更集中的解決方案：氘-氦 3 反應的條件相比傳統(tǒng)氘-氚反應要求更高，其反應溫度達到 5-7 億度，聚變三乘積也要達到 1022keV·s·m?3 量級（注：聚變三乘積是指燃料離子的溫度×密度×能量約束時間，對比而言，氘-氚聚變的三乘積約 3-5×1021keV·s·m?3）。托卡馬克裝置要實現(xiàn)這個條件，需要將現(xiàn)有磁場強度提升 2-3 倍，達到 10 特斯拉以上。

真正的門檻：強磁場，正在改變核聚變的尺度邏輯

提升磁場獲得的不是線性收益，而是核聚變經(jīng)濟性的放大器。追求強磁場，無論是氘-氚路線、氘-氦 3 路線還是其他路線，是領域普遍認可的有效提高聚變經(jīng)濟效益的方法：同樣一個聚變電站，如果磁場強度翻一倍，它的聚變功率密度會變成原來的 16 倍。

氘-氦 3 的首要前提是強磁場磁體，這條路線最大的門檻，是高溫超導強磁場磁體的可靠性和穩(wěn)定性問題。當然，這并不意味著低溫超導不能用于氦 3 路線，只是裝置規(guī)模更大。

目前，全世界對于托卡馬克裝置的高溫超導強磁場磁體仍在探索研發(fā)過程中。由美國麻省理工學院衍生的核聚變初創(chuàng)公司 Commonwealth Fusion Systems（CFS）進展最快，該公司 2021 年研制出新型高溫超導磁體，在 20K（-253℃）的低溫下可實現(xiàn) 20 特斯拉強磁場，一舉刷新了同類磁體的最高記錄。CFS 公司正在建造的 SPARC 托卡馬克裝置將采用全高溫超導磁體，其環(huán)向場磁體目前已通過初步測試，但還沒有在真實的托卡馬克工況下運行。

“我們也很期待 CFS 的科學家們在未來幾年把裝置建成并開始運行。屆時，我們可以了解到他們的高溫超導磁體設計技術路線在實際裝置運行條件下，是否依然可行。”許敏對 DeepTech 表示。

從全球核聚變公司來看，美國核聚變公司 Helion Energy 也使用氘-氦 3 作為核聚變燃料，但該公司走的是另一條技術路線。簡單來理解，這就像燒鍋爐可以用相同的燃料，但是“爐子”完全不同，復旦大學聚變團隊是用環(huán)形的托卡馬克，而 Helion 則走的是直線型的 FRC 路線。

從裝置的幾何結構來看，托卡馬克是全世界聚變裝置中最成熟的路線，也是研究最透徹的方向之一。而 FRC 這條路線的基礎相對托卡馬克還較薄弱，需要進一步解決相關基礎科學和工程技術問題。但 FRC 的優(yōu)勢是結構簡潔、迭代快，這條路線也值得探索，目前國內已有多家企業(yè)聚焦該路線。

越來越多的聚變研究領域科學家已達成共識，相對于聚變裝置越做越大的傳統(tǒng)路線，強磁場、小型化的聚變裝置是未來的發(fā)展趨勢。但聚變電站的規(guī)模與其帶來的度電成本并不是一個簡單的依賴關系：裝置過大，建造難度和周期都非常高，可能導致度電成本高；裝置過小，工程技術上的挑戰(zhàn)也很大，發(fā)電量少，每度電的成本也會升高。科學家和工程師們需要在兩者之間找到一個平衡點，以合適的裝置規(guī)模達到最經(jīng)濟的度電成本。

與目前的西電東送或從沿海將電力輸送到城市相比，未來分布式供電網(wǎng)絡或是一種更理想的方案。根據(jù)實際需求分布式建設小型聚變電站，不僅能夠降低長距離輸配電的成本，整個電網(wǎng)也會更穩(wěn)定，進而降低因某條主線路出問題而影響大范圍供電的可靠性。

從長遠來看，可能形成大型電站和小型電站相互交織的一體化供電網(wǎng)絡，實現(xiàn)大、小型電站的互補：大型電站可建于偏遠地區(qū)，通過高效、可靠的輸電網(wǎng)絡，將電力遠距離輸送至大城市群和工業(yè)中心；而小型電站則分布在城市周邊和算力中心旁邊。

此外，與硬件設備同樣重要的，是電站運行控制技術的革新。隨著 AI 技術的發(fā)展，AI 在控制等離子體運行方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。首先，人類控制運行聚變裝置主要靠經(jīng)驗，但其能夠同時關注的參數(shù)和反應速度都有限。因此，訓練專用的控制運行大模型，能夠達到甚至超出人類控制的水平，提升長時間運行控制上億度極高溫等離子體的可靠性和穩(wěn)定性。

其次，AI 有天然的優(yōu)勢：不僅能在同一時間觀測大量不同的數(shù)據(jù)，識別出問題后還能夠迅速響應。用 AI 運行未來的聚變電站是必然趨勢，我們必須從現(xiàn)在開始布局，將 AI 融入等離子體控制運行系統(tǒng)，并最終應用于核聚變電站運行。

相比于誰先實現(xiàn)核聚變，更重要的是誰的電價最便宜

回到一個“老問題”：我們距離核聚變真正發(fā)電還有多久？似乎每次提到這個問題大家都會經(jīng)常說“永遠還有 50 年”。

然而，核聚變實現(xiàn)的時間應該從第一性原理分析，盡管現(xiàn)在已有煤炭、石油、天然氣以及光伏、風電等能源，但聚變的時間表取決于社會需求的緊迫程度和人才、資源的投入程度。

隨著近年技術的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn) AI 的發(fā)展速度遠超預期，而支撐其發(fā)展的電力消耗也呈幾何級增長。展望未來五到十年，傳統(tǒng)的能源體系難以完全填補 AI 對電力的巨大需求缺口，這個差距可能是幾十倍、上百倍甚至上千倍。這種情況下，聚變能源的發(fā)展已經(jīng)從能源的備選方案變成了剛需且緊迫的選項，甚至成為支撐 AI 技術繼續(xù)前進的前提條件之一。

放眼全球，資本市場對聚變的投入開始爆發(fā)。據(jù)美國聚變工業(yè)協(xié)會（FIA，F(xiàn)usion Industry Association）發(fā)布的《2025 年全球聚變行業(yè)》報告數(shù)據(jù)，“過去 5 年全球聚變行業(yè)呈爆發(fā)式增長，目前全球共 53 家核聚變公司，總投資額達到 97.7 億美元，較 2021 年總投資額提高了 5 倍。”

（來源：FIA）

這些公司的資金，既有來自國家財政的支持，也有通過市場化的募集。從本質上來看，資金無論來自哪種渠道，都對核聚變技術發(fā)展起到促進和供應鏈扶持的作用。

第一，對聚變技術本身的貢獻。比如，通過聚變裝置的建設，能夠把裝置的設計、建設和運行整個流程摸得更透，推動技術快速發(fā)展和迭代。

第二，對供應鏈的扶持。整個聚變產(chǎn)業(yè)的供應鏈需要“活下去”，無論是國家財政出資，還是像中國聚變能源有限公司、聚變新能有限公司這樣的中央國資或地方國資出手注資到鏈主企業(yè)，然后由鏈主企業(yè)分包發(fā)給上游供應鏈企業(yè)。對這些上游企業(yè)來說，拿到訂單是一種乘數(shù)放大效應。

傳統(tǒng)的聚變“國家隊”包括中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所和核工業(yè)西南物理研究院（原二機部 585 所）及其關聯(lián)公司。現(xiàn)在，中國聚變發(fā)展格局一方面是由傳統(tǒng)的科研院所獲取國家資金，推動大型科學工程項目的實施；與此同時，多家聚變公司正在市場化資金的推動下探索各種技術路線。

供應鏈是關乎核聚變能源度電成本的關鍵，國外的情況也類似，包括美國、歐盟、日本和英國都在強調供應鏈的重要性，并通過不同舉措定向扶持供應鏈。

從技術底蘊來看，盡管西方國家在核聚變領域的歷史積累比中國深厚，但這個差距并沒有太大，經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)發(fā)展，這一差距在迅速縮小，我國在某些技術領域甚至實現(xiàn)了對西方的超越。

無論是美國、歐洲還是中國，相比于誰最先實現(xiàn)核聚變，更重要的事情是：核聚變發(fā)電在不同國家實現(xiàn)之后，誰能把度電成本做到最低。由于電是大宗商品，只有成本足夠低才具備戰(zhàn)略性意義。從商業(yè)化落地的角度來看，核聚變雖然還有基礎科學問題需要解決，但更大的挑戰(zhàn)在工程化階段，二者需要相輔相成、齊頭并進。

聚變電站的成本是一個系統(tǒng)性問題，包括超導強磁場磁體、低溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等關鍵構成。從長遠來看，磁約束這條路線的成本還有大幅度降低的空間，其成本構成中沒有昂貴稀缺的材料（如高溫超導帶材核心材料本身不貴），而主要在于部件復雜的生產(chǎn)和安裝工藝。未來，通過規(guī)模化生產(chǎn)有望實現(xiàn)成本的顯著降低，最終實現(xiàn)老百姓期待的“一毛錢一度電”。

參考資料：

https://www.fusionindustryassociation.org/over-2-5-billion-invested-in-fusion-industry-in-past-year/

https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908