刘永：核聚变，作为未来能源的挑战与应对

当前, 能源安全、环境和气候变化等问题成为21世纪面临的最严峻挑战。因此，像核聚变能这样的新能源研发一直为公众和行业所关注。但是，热潮之下也不乏隐忧。

据全球聚变工业协会FIA统计，截至2023年12月，全球共有43家私人核聚变公司，这些私营企业投资力度逐年增大，2022年投资总额较以往全部总额增加一倍，前后获得投资总额超过62亿美元。但我们作为从业者，一方面心里要有数，全球核聚变研究距离实现发电尚有距离，另一方面，更要有定力，路虽远，行则将至。

01 核聚变研究发展的主要趋势

国际磁约束受控核聚变研究始于上世纪50年代，在研究进程中，先后探索了箍缩、磁镜、仿星器、托卡马克等众多途径，目标都围绕如何提高等离子体的关键参数，最终满足受控核聚变反应的条件。从上世纪70年代开始，托卡马克途径逐渐显示出独特优势，成为磁约束核聚变研究的主流途径。国际上自托卡马克开展实验以来，等离子体综合参数不断提升，聚变工程技术也有了长足的进步，但距离实现应用,诸多关键技术仍存在很大挑战。

为了验证聚变的技术可行性, 需要建造一个具有聚变电站所需大多数技术特征的更大规模的托卡马克装置, 来试验和演示聚变电站的关键技术, 并探索燃烧等离子体的新物理问题。为实现这一目标, 国际聚变界一致认为通过国际合作, 汇聚全世界的核聚变研究成果、主要国家的财力和科技能力, 才能加快这一阶段的进程。为此, 规模空前的国际合作计划——国际热核聚变实验堆(ITER)计划应运而生。我国也于2003年1月初正式宣布参加ITER计划政府间谈判。ITER是世界上第一个反应堆规模的受控热核聚变设施,也是最终实现磁约束聚变能商业化发电最重要的科学和技术桥梁。

总体上看, 世界上主要发展聚变能的国家, 在围绕建设本国聚变示范堆的目标下, 基本都是通过ITER合作获得相应实验堆设计、建造经验, 利用参与ITER运行以及本国(或国际合作)的大型托卡马克装置获得燃烧等离子体物理、控制和运行经验, 同时, 围绕在ITER合作中不能解决的聚变堆抗辐照材料等方面开展关键技术攻关。

就我国的情况而言，我国在1984年建成了核聚变领域第一座大科学装置——中国环流一号托卡马克装置, 实现了我国核聚变研究从原理探索到中大规模装置实验的跨越;2002年我国建成第一个具有偏滤器位形的托卡马克装置中国环流二号;2006年，全超导托卡马克装置东方超环首次放电成功。2020年，中国环流三号建成，该装置是我国目前规模最大、参数最高的磁约束核聚变实验研究装置，也是目前国际上首个具备在兆安培等离子体电流下实现多种先进偏滤器位形能力的核聚变先进研究平台。

与此同时，国内高校也建造运行一批聚变实验研究装置(如华中科技大学的J-TEXT、中国科学技术大学的KTX、清华大学的SUNIST等)，整体来看，我国聚变技术已步入国际第一方阵。近期，随着“聚变热”，像能量奇点和星环聚这些民营公司也汇入了聚变产业的洪流。

02 核聚变研究面临的挑战

作为未来能源，核聚变的挑战来自于哪里?

我们知道聚变是宇宙能源，氘氚反应，能够释放出巨大的能量。其优势主要体现在燃料储存丰富、固有安全性好、能效高。因此，它被认为是最终解决能源问题的选项。核聚变有很多模式，主流的磁约束装置都需要实现上亿度的高温，其实现难度可想而知。核聚变工程必然是一个大工程，比如ITER项目，从其开展过程中，我们可以看到从事这一研究所需要的庞大的系统、庞大的投入。

当前，核聚变堆面临的三大挑战是避不开的。一是燃烧等离子体问题，二是抗辐照材料问题，三是氚增殖与自持循环问题。面对三大技术挑战，可控核聚变仍然有大量技术难关需要攻克。在应对三大挑战上，国内外都在积极地筹划下一步的发展，而且有些进展还是比较大的。对于这些挑战的应对，各个国家政府的态度都是比较理性的，基本上锁定在2050年达成目标。

核工业西南物理研究院的中国环流三号建成以后，一直备受各方的关注。推进核聚变技术，中核集团核聚变研发的整体路线图已勾勒出来，并且仍在不断地优化。但是这个过程需要一段较长的时间。

巨大的挑战是客观的，但是我更想强调的是“定力”。作为前沿颠覆性技术，核聚变是大国竞争的重要赛道，所以国际上普遍聚焦于核聚变在本世纪中叶走向商业。我国政府非常重视核聚变的发展，国资委已经在去年将其作为未来能源产业重要方向之一。所以从这个意义上讲，现在国家相关部委都在重视、跟踪、研讨、分析各种各样的可能性，以使我们在大国竞争的主赛道里立于不败之地。

事实上，我们都知道科技工程有其不确定性, 这也许正是科学技术发展的魅力所在。虽然目前看来，抗辐照材料是难题, 但该技术取得突破后，将给聚变研发带来极大的提速;而国家对能源结构转型的迫切需求和对聚变研究支持力度的加大, 以及国内外包括装备制造、新型材料、人工智能等在内的科技进步对聚变的加持也会加速其实现。从这个意义上讲，我们又可以更加乐观一些。

无论如何，经过半个世纪的努力，曙光已现。我相信经过共同的努力，人类的聚变梦想最终能够实现。