核聚变发电 三个基本条件（核聚变发电仅需5年）

在不少科幻作品里，总能看到核聚变的身影，它在电影《钢铁侠》里，是托尼·斯塔克胸口的方舟反应炉，在《流浪地球》里，是推动地球离开太阳系的行星发动机动力来源。

一直以来，可控核聚变发电被戏称为一项距离成功“永远还有50年”的技术，这一说法反映的是核聚变工程技术极高的难度。此前曾有机构预测，实现核聚变发电至少还要50年甚至要到本世纪末。随着对核聚变研究的不断深入以及其他相关技术的进步，有越来越多的人认为，核聚变能的应用有望提前到2040年-2050年左右。

近期，微软公司和核聚变初创企业给出了更为乐观的承诺。5月10日，核聚变初创公司Helion Energy在官网宣布，微软已同意从该公司首座核聚变发电站购买电力。在该电力购买协议中，Helion Energy承诺在2028年之前开始通过核聚变发电，并在一年之后为微软提供目标为至少50兆瓦的发电量，否则将支付罚金。

从50年到5年，Helion Energy与微软的这项协议让可控核聚变再一次成为业界焦点。那么，近两年捷报频传的可控核聚变，是否真的走到了商用发电的前夜？

图源：Pixabay

5年后用上核聚变电力，可能吗？

要在2028年之前实现核聚变发电，乍一听显得不切实际，但参与方确实表达出极大的信心。微软总裁布拉德·史密斯就表示：“如果我们对工程进展的势头不乐观，我们就不会签订这项协议。” 而向Helion Energy投资了3.75亿美元的OpenAI首席执行官山姆·奥特曼则认为，Helion Energy与微软的这笔交易，将是打破人们对核聚变商业发电疑虑的有效方式之一。

那么，Helion Energy要如何来完成这笔交易？根据协议，该公司预计将在2028年之前上线核聚变发电设备，并在商定的一年内达到50兆瓦甚至更大的目标发电规模。消息显示，虽然Helion与微软的商定的是50兆瓦的电力，但该公司的最终目标是生产1GW（1GW=1000兆瓦 ）电力，也就是卖给微软的50兆瓦的20倍。

根据国际原子能机构定义，核聚变是两个轻原子核在超高温或高压情况下，结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变具有燃料丰富，燃料成本低廉、环境污染小、运行安全，反应释放能量巨大等突出优点。核聚变的能量可达到核裂变的四倍，更是化石能源效率的千万倍。因此，核聚变能被视为通往未来社会的“终极能源”，成为了世界多个主要国家重点布局的领域。

目前，核聚变的主流实现路径主要有两个，一是惯性约束，主要方向是激光聚变；一是磁约束，主攻方向是托卡马克装置，这也是大多数核聚变项目选择的路径。全球范围内具有代表性的托克马克装置包括美国DIIID、欧洲的JET、日本JT-60、我国的EAST和HL-2M等。

不过，Helion Energy并不是使用上述两种方法，而是要开发一种称为“等离子加速器”的6×40 英尺的杠铃形状的设备。该设备可将燃料加热至 1 亿摄氏度，能将氘和氦 3 加热成等离子体，再使用脉冲磁场压缩等离子体直到发生聚变。

资料显示，Helion Energy已经开发并测试了六种原型，第七个“北极星”（Polaris）正在建造中，这种反应发电的能力，预计将在2024年向外界展示。虽然微软公司和Helion Energy都对这一目标的实现抱有极大信心，但结果如何还是个未知数。不过，这一合作也折射出核聚变的发展进入了一个加速阶段。

图：

ITER项目的托卡马克装置示意图

图源：ITER官网

全球核聚变加速度

核聚变研究已有超过70年的历史，但一直以来都有个难以突破的关键点，那就是让核聚变反应产生的能量大于维持反应器等离子体稳态的输入能量。

过去两年，核聚变领域出现了很多重要的技术突破，其中，2022年12月13日，美国能源部宣布美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室首次成功在核聚变反应中实现能量净增益，激起了全球对核聚变技术的关注热情。

在这个实验中，科学家向目标输入了2.05兆焦尔的能量，产生了3.15兆焦尔的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。该试验采用了惯性约束核聚变技术，利用激光的冲击波使得通常包含氘和氚的燃料球达到极高的温度和压力，引发核聚变反应。

业界认为，尽管此次实验存在有待商榷的地方，但它还是具有重大意义，因为它的确实现了聚变中产生的能量多于用来驱动它的激光能量，证明了惯性聚变能 (IFE) 的最基本科学基础。这一成果也意味着人类离核聚变的实现更近了一步。

值得注意的是，核聚变的火热在此之前就已经有了迹象。一直以来，核聚变领域由于技术水平要求高、投入大，主要都是由政府主导建设。自2021年以来，私人资本开始在这个领域活跃起来。前文所提及的山姆·奥特曼对Helion Energy的投资正是发生在2011年底。

就在Helion融资一个月后，从麻省理工学院独立出来的核聚变创业公司 Commonwealth Fusion Systems（CFS）拿到比尔·盖茨、乔治·索罗斯、Google等30位个人或机构超过18亿美元的融资，这一金额也超过之前所有核聚变创业公司的融资之和。

该年9月，Commonwealth Fusion Systems的研究人员对一块10吨重的D型磁铁缓慢充电并提升场强，直到它超过20T。该公司创始人表示，这解决了开发一个紧凑、廉价的聚变反应堆过程中所面临的主要工程挑战。核聚变有望产生廉价、无碳、永远在线的能源，没有核反应堆堆芯熔毁的危险，也几乎没有放射性废物。2022年，“实用型聚变反应堆”也被《麻省理工科技评论》评为“全球十大突破性技术”。

创业公司和私人资本的加入，意味着可控核聚变的商业化之路在加速。而根据《麻省理工科技评论》一直以来对前沿科技应用推广趋势的精准把控，可以预见，核聚变为人类发电已是指日可待之事。

目前，全球核能主要用于发电，与此同时，核能在海水淡化、核能清洁制氢、放射性同位素生产、核动力船舶推进等领域均已取得积极进展。

国际热核聚变实验堆（ITER）项目此前发布的公报显示，该项目将在2025年实现点火，2035年开始氘氚聚变实验。不过，即便一切顺利，ITER也只是一个实验聚变堆，并不等同于可用于商业发电的装置。

图：

全超导托卡马克核聚变实验装置EAST

图源：中国科学院

中国可控核聚变进行时

近几年，中国在可控核聚变领域的存在感快速提高。根据《日经中文网》的报道，全球核聚变相关专利数量上，中国排在首位，高于美国（第2位）和日本（第4位）。

中国在核聚变领域虽然不及美国、日本等国家表现得高调，但对核聚变的研究早在上世纪50年代就已经开始。1955年，钱三强和李正武等科学家便提议开展中国的“可控热核反应”研究。

而中国核聚变研究史上的重要里程碑，当属1984年中国环流器一号（HL－1）的建成。这是中国核聚变领域的第一座大科学装置，它为中国自主设计、建造、运行核聚变实验研究装置培养了大批人才，积累了丰富经验。

自那以后，中国磁约束聚变一步步发展壮大。1995年中国第一个超导托卡马克装置HT-7在合肥建成；2002年中国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流器二号 A（HL－2A）；2006年，世界上第一个全超导托卡马克装置东方超环（EAST）首次等离子体放电成功。

在2021 年底，EAST 实现了 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行，其间电子温度近 7000 万摄氏度，创下当时托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录。

2022年10月19日，中国新一代“人造太阳”HL-2M等离子体电流突破100万安培，创造了中国可控核聚变装置运行新纪录，标志着中国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。

2023年4月12日，东方超环（EAST）再次获得重大突破——成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒的新世界纪录。

可以看到，核聚变领域越来越多的新成果在涌现，那么，核聚变的“SpaceX moment”何时到来？目前，业界专家们看法不一，从2030年到几十年后不等。近期，中国工程院院士杜祥琬在接受媒体采访时则表达了相对保守的看法，“我没有聚变专家那么乐观，但实现地球上造一颗人造太阳，本世纪是可以看到的。”

不管是激进还是保守，可控核聚变的技术进展依然值得我们期待。在科研和资本双重力量带动下，在不久的将来，“人造太阳”必将成为地球上最强大的能源。

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参考资料：

1、人造太阳，点亮人类能源梦想——中国科学院 (cas)

2、为何核聚变总在“五十年后”？美国聚变点火有何弦外之音？——澎湃新闻

3、微软和ChatGPT之父下注核聚变：2028年用上核聚变商业发电_未来2%_澎湃新闻-The Paper

4、可控核聚变的十个“里程碑”_澎湃号·湃客_澎湃新闻-The Paper

5、“人造太阳”离圆梦又近一步——揭秘中国可控核聚变

6、美国宣布核聚变实现历史性突破，中国到哪一步了？|原子核|托卡马克|太阳|等离子体|核裂变_网易订阅 (163)

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