对于聚变能源的技术探索,上世纪五六十年代就已兴起。但有关“终极能源”何时造福人类的答案,似乎一直停留在“再等50年”。
在昨天举行的2025浦江创新论坛“未来能源:可控核聚变论坛”上,清华大学长聘副教授、星环聚能创始人兼首席科学家谭熠提出聚变能“十年可期”。就在一天前,中国科学院院士、上海交通大学李政道研究所所长张杰在浦江创新论坛主论坛上透露,上海将建首座聚变能商业电站,预计2030年前后完成所有关键技术研发,有望于2045年实现商业运行。
从学界到业界,种种迹象表明,“聚变能成真”正一步步迫近。正如谭熠所说,人们之所以会形成“永远50年”的印象,根本原因在于社会对聚变能的需求并不迫切,导致投资减少、资源受限。他引用“托卡马克之父”列夫·阿齐莫维奇的一句话表示:“当整个社会都需要的时候,聚变就会实现。”
可控核聚变有“人造太阳”之称,即以超高温度将原子核合并,释放巨大能量。所谓“磁约束聚变”,就是通过超强磁场来束缚炽热的等离子体。科学界的主流选择是制造形似甜甜圈的“托卡马克”磁约束装置,中央是环形真空室,外面缠绕多组线圈。1985年发起的国际热核聚变实验堆(ITER)计划,正是采用了全超导托卡马克技术路线。2006年,中国加入ITER,至今仍在为该项目挑大梁。
论坛现场,ITER国际组织副总干事罗德隆介绍了项目最新进度。在零部件层面,ITER的19个环向场线圈已全部完成,6个极向场线圈也均已完成并交付。至于真空室,韩国已生产并交付所有4个扇段部件,欧盟于去年10月交付了第一个,第二个已于今年3月完工。
经历一段时期的拖延后,ITER组装工作于2023年重启,真空室第6、第7区段模块组装已于今年完成,分别吊装到托卡马克中。此外,去年12月18日,主控室进行了首次测试。
除了参与国际合作项目,我国聚变能源领域也在加快布局。7月,中国聚变能源有限公司在上海挂牌成立,标志着我国可控核聚变进入规模化发展新阶段。论坛现场,中国聚变总经理张立波介绍了研发进展。
在建院60年的核工业西南物理研究院基础上,中核集团牵头组建中国聚变。今年3月,西物院自主研发的新一代人造太阳“中国环流三号”突破“双亿度”,离子温度达到1.2亿度,电子温度达到1.6亿度。成果背后,是中性束加热、电子回旋波等关键技术的突破,相关装置已达到国际先进水平。
张立波指出,公司下一步的主要任务是“一目标、三支柱、一平台”,即主抓大科学实验、高温超导磁体研制及聚变堆材料研发,借助数字化研发设计平台,建设聚变工程实验堆。
在地球上“制造太阳”谈何容易?论坛现场,专家们不约而同谈到聚变能源的技术难题。
当前,一些主流聚变项目基于“氘氚聚变”,即以轻原子核(氘和氚)结合成氦,释放出巨大能量。对于这条相对最容易实现的路径,复旦大学现代物理研究所、核科学与技术系教授许敏表示,氘氚聚变面临三大挑战,即燃烧等离子体稳态运行控制、耐高能中子辐照与高热负荷材料、氚循环及氚自持。此外,托卡马克固有的多变量特点、边界条件的敏感多变,以及运行规律和物理机制尚不完全清晰,都对运行控制构成巨大挑战。
面对技术难题,与会专家提到两条破解之道:人工智能与高温超导。
许敏指出,在AI赋能下,可实现对等离子体撕裂的预测,并能够及时监测、调控磁场,以防止等离子体撕裂。此外,对于聚变相关材料,AI能够完成机理研究,进行材料初筛,加快科研进程。
能量奇点公司首席执行官杨钊表示,智能实时控制系统能够提升等离子体性能,实时不稳定性仿真能够降低运行风险和调试成本,智能化测量可减少测量需求、降低测量成本。
高温超导技术则能让聚变装置小型化、紧凑化。杨钊指出,高温超导磁体可提供更强磁场,在实现高聚变三乘积的前提下,大幅缩小装置尺寸,降低建造成本,缩短建造时间,从而显著提升装置性价比,加速实现聚变能源商业化。
身为高温超导托卡马克一体化解决方案提供商,能量奇点公司建成运行全球首台全高温超导托卡马克“洪荒70”,成功研制全球最高场强大尺寸高温超导D形磁体“经天磁体”。
作为一家商业公司,能量奇点2年内完成了洪荒70的研发、建造和运行,创造了全球超导托卡马克研发建造最快纪录。而洪荒70不仅是全球4台全超导托卡马克装置之一,更是首台由商业公司研发建造的全超导托卡马克。
事实上,近年来国内外商业公司不断发力。论坛现场,法国CEA聚变研究机构负责人、法国原子能中心磁约束聚变所所长杰罗姆·布卡洛西介绍,在欧洲及世界各地,聚变能源创业公司已形成“生态系统”。据美国聚变行业协会的数据,全球现有超过45家相关企业,私人投资总额已突破70亿美元。欧洲各国也陆续成立聚变行业协会,促进科技和金融领域的行业内合作。
商业公司纷纷进场,意味着聚变能源领域已初现商机。而商机的出现,意味着公众对于聚变能源的需求变得愈发急切。
谭熠认为,近年来,对绿色能源的迫切需求推动了聚变能源领域的快速发展,这是“十年可期”的最大理由。而国内外新装置、新设施的密集建成,也让整个行业在经历长时间的发展停滞后,再次呈现生机勃勃的创新局面。
他坦言聚变能源仍面临诸多挑战,但其快速解决之道就在于不断迭代开发。谭熠打了个比方,虽然婴儿的肌肉力量不强,神经系统也不完善,走起路来磕磕绊绊,但每个人都是从蹒跚学步一路走来,且越走越稳。在聚变能源领域,不需要等待“万事俱备”,完全可在发展中解决问题。