對于聚變能源的技術探索,上世紀五六十年代就已興起。但有關“終極能源”何時造福人類的答案,似乎一直停留在“再等50年”。
在昨天舉行的2025浦江創新論壇“未來能源:可控核聚變論壇”上,清華大學長聘副教授、星環聚能創始人兼首席科學家譚熠提出聚變能“十年可期”。就在一天前,中國科學院院士、上海交通大學李政道研究所所長張杰在浦江創新論壇主論壇上透露,上海將建首座聚變能商業電站,預計2030年前后完成所有關鍵技術研發,有望于2045年實現商業運行。
從學界到業界,種種跡象表明,“聚變能成真”正一步步迫近。正如譚熠所說,人們之所以會形成“永遠50年”的印象,根本原因在于社會對聚變能的需求并不迫切,導致投資減少、資源受限。他引用“托卡馬克之父”列夫·阿齊莫維奇的一句話表示:“當整個社會都需要的時候,聚變就會實現。”
可控核聚變有“人造太陽”之稱,即以超高溫度將原子核合并,釋放巨大能量。所謂“磁約束聚變”,就是通過超強磁場來束縛熾熱的等離子體。科學界的主流選擇是制造形似甜甜圈的“托卡馬克”磁約束裝置,中央是環形真空室,外面纏繞多組線圈。1985年發起的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃,正是采用了全超導托卡馬克技術路線。2006年,中國加入ITER,至今仍在為該項目挑大梁。
論壇現場,ITER國際組織副總干事羅德隆介紹了項目最新進度。在零部件層面,ITER的19個環向場線圈已全部完成,6個極向場線圈也均已完成并交付。至于真空室,韓國已生產并交付所有4個扇段部件,歐盟于去年10月交付了第一個,第二個已于今年3月完工。
經歷一段時期的拖延后,ITER組裝工作于2023年重啟,真空室第6、第7區段模塊組裝已于今年完成,分別吊裝到托卡馬克中。此外,去年12月18日,主控室進行了首次測試。
除了參與國際合作項目,我國聚變能源領域也在加快布局。7月,中國聚變能源有限公司在上海掛牌成立,標志著我國可控核聚變進入規模化發展新階段。論壇現場,中國聚變總經理張立波介紹了研發進展。
在建院60年的核工業西南物理研究院基礎上,中核集團牽頭組建中國聚變。今年3月,西物院自主研發的新一代人造太陽“中國環流三號”突破“雙億度”,離子溫度達到1.2億度,電子溫度達到1.6億度。成果背后,是中性束加熱、電子回旋波等關鍵技術的突破,相關裝置已達到國際先進水平。
張立波指出,公司下一步的主要任務是“一目標、三支柱、一平臺”,即主抓大科學實驗、高溫超導磁體研制及聚變堆材料研發,借助數字化研發設計平臺,建設聚變工程實驗堆。
在地球上“制造太陽”談何容易?論壇現場,專家們不約而同談到聚變能源的技術難題。
當前,一些主流聚變項目基于“氘氚聚變”,即以輕原子核(氘和氚)結合成氦,釋放出巨大能量。對于這條相對最容易實現的路徑,復旦大學現代物理研究所、核科學與技術系教授許敏表示,氘氚聚變面臨三大挑戰,即燃燒等離子體穩態運行控制、耐高能中子輻照與高熱負荷材料、氚循環及氚自持。此外,托卡馬克固有的多變量特點、邊界條件的敏感多變,以及運行規律和物理機制尚不完全清晰,都對運行控制構成巨大挑戰。
面對技術難題,與會專家提到兩條破解之道:人工智能與高溫超導。
許敏指出,在AI賦能下,可實現對等離子體撕裂的預測,并能夠及時監測、調控磁場,以防止等離子體撕裂。此外,對于聚變相關材料,AI能夠完成機理研究,進行材料初篩,加快科研進程。
能量奇點公司首席執行官楊釗表示,智能實時控制系統能夠提升等離子體性能,實時不穩定性仿真能夠降低運行風險和調試成本,智能化測量可減少測量需求、降低測量成本。
高溫超導技術則能讓聚變裝置小型化、緊湊化。楊釗指出,高溫超導磁體可提供更強磁場,在實現高聚變三乘積的前提下,大幅縮小裝置尺寸,降低建造成本,縮短建造時間,從而顯著提升裝置性價比,加速實現聚變能源商業化。
身為高溫超導托卡馬克一體化解決方案提供商,能量奇點公司建成運行全球首臺全高溫超導托卡馬克“洪荒70”,成功研制全球最高場強大尺寸高溫超導D形磁體“經天磁體”。
作為一家商業公司,能量奇點2年內完成了洪荒70的研發、建造和運行,創造了全球超導托卡馬克研發建造最快紀錄。而洪荒70不僅是全球4臺全超導托卡馬克裝置之一,更是首臺由商業公司研發建造的全超導托卡馬克。
事實上,近年來國內外商業公司不斷發力。論壇現場,法國CEA聚變研究機構負責人、法國原子能中心磁約束聚變所所長杰羅姆·布卡洛西介紹,在歐洲及世界各地,聚變能源創業公司已形成“生態系統”。據美國聚變行業協會的數據,全球現有超過45家相關企業,私人投資總額已突破70億美元。歐洲各國也陸續成立聚變行業協會,促進科技和金融領域的行業內合作。
商業公司紛紛進場,意味著聚變能源領域已初現商機。而商機的出現,意味著公眾對于聚變能源的需求變得愈發急切。
譚熠認為,近年來,對綠色能源的迫切需求推動了聚變能源領域的快速發展,這是“十年可期”的最大理由。而國內外新裝置、新設施的密集建成,也讓整個行業在經歷長時間的發展停滯后,再次呈現生機勃勃的創新局面。
他坦言聚變能源仍面臨諸多挑戰,但其快速解決之道就在于不斷迭代開發。譚熠打了個比方,雖然嬰兒的肌肉力量不強,神經系統也不完善,走起路來磕磕絆絆,但每個人都是從蹣跚學步一路走來,且越走越穩。在聚變能源領域,不需要等待“萬事俱備”,完全可在發展中解決問題。