在科技发展的长河中，2024年无疑是可控核聚变领域浓墨重彩的一年。年初，“一剑一堆”成为了国内硬科技界当之无愧的开年热词，这背后隐藏着的是我国在可控核聚变道路上的一系列重大突破与探索。
“一剑”，指的是由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所研制的强流直线等离子体装置“赤霄”。时间回溯到1月14日，这一天对于我国可控核聚变研究来说意义非凡，“赤霄”全面建成并投入运行。想象一下，在合肥的科研基地里，科研人员们紧张而又兴奋地盯着各项数据指标，“赤霄”就像一把横卧的宝剑，长15.5米、重约22.5吨，其流线型结构散发着科技的光芒。它得名于中国古代十大名剑之一的赤霄剑，当核聚变燃料等离子体的辉光在内部亮起时，仿佛它真的成为了那把具有神奇力量的“光剑”。
“赤霄”的诞生可不简单，它的内部每平方米每秒可极速喷射1024个粒子，这一强大的能力能够模拟出与聚变堆内部极为相似的环境，从而破解核聚变装置材料研发的难题。等离子体所研究员、聚变堆材料及部件研究室主任周海山介绍道，未来核聚变堆主要以氢同位素氘、氚作为燃料，因为它们是自然界最容易发生聚变的粒子，而“赤霄”使用的是氢同位素和氦，旨在尽可能模拟真实的聚变情况。
然而，要实现可控核聚变并非易事，其中聚变装置的壁材料问题尤为棘手。中国科学技术大学核科学技术学院教授孙玄解释说，聚变燃料的粒子流强度很高，会轰击装置壁，尤其是直接与等离子体接触的“第一壁”。壁材料需忍受强粒子流轰击，不发生融化、溅射等。以前壁材料需要承受的粒子流大概是每平方米1兆瓦，现在接近10兆瓦，如果出现短时爆发事件，可能会更高。目前，尚未发现可以长时间忍受这一轰击强度的材料，“赤霄”未来的任务十分艰巨。
不过，“赤霄”也有着令人瞩目的成绩。通过验收后，中国成为继荷兰之后第二个拥有此类装置的国家，而且“赤霄”的综合性能已做到国际领先。内部测试时，“赤霄”在喷射1024个粒子的情况下，可连续运行24小时，远超设计的1000秒。此外，“赤霄”约束粒子流的磁场能力拔群，最高中心磁场强度达3特斯拉。并且，“赤霄”还是一个开放设施，欢迎国内外同行使用它做研究、出成果。
“赤霄”是国家“十三五”重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统”（CRAFT）的一项关键设施。CRAFT的使命是为中国聚变工程实验堆搭建综合性研究平台，相当于把聚变堆的所有关键部件进行拆解，作为独立任务逐一攻破。“赤霄”专攻壁材料问题，其他技术平台则专攻加热、超导磁场等技术，这样的技术平台共有十余个。
而“一堆”，指的就是位于合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），也就是那有着“人造太阳”之称的聚变实验堆。在“赤霄”全面建成并投入运行不到一周后，也就是1月20日左右，EAST实现了1亿摄氏度1066秒稳定运行，刷新了世界纪录。
托卡马克装置，这个旨在模拟太阳产生能量的原理，在地球上实现可控核聚变从而产生大量清洁能源的装置，一直以来都是可控核聚变研究的主流技术路线。它源于苏联，在俄语中是一个组合词，由“环形”“真空室”“磁场”“线圈”四个词各取一部分拼凑而成，这也囊括了托卡马克的主要构成。其装置的中央是一个环形真空室，外面缠绕着线圈，像个甜甜圈，在通电时内部会产生强磁场，将其中的等离子体加热到聚变反应所需的温度。
实现可控核聚变的判断标准是Q值，也就是装置输出能量与输入能量之比。如果输出能量超出输入，即Q>1，理论上核聚变就可能开始为人类发电了。2022年，美国国家点火装置（NIF）首次成功“点火”，通过惯性约束的方式输出3.15兆焦耳能量，为输入能量的1.5倍。但一位不愿具名的国内核聚变企业科学家表示，如果算上激光器等装置的能量损耗，NIF还远未真正实现Q>1。毕竟，设计出一种有能量收益的聚变反应，并不意味着聚变发电能立马落地。
在孙玄看来，Q>1只是最基本的条件。聚变追求的是自持燃烧，也就是不需要任何输入功率的稳定、长时间能量输出，如同太阳一样。最理想的情况应该是Q等于无穷大，而当下离这个目标还有很长距离。业内人士认为，这也是“赤霄”这样的突破真正的价值所在。利用实验数据，科学家们可以更快地确定适宜的工程路径，从而加速聚变反应堆的研发进程。
然而，托卡马克装置也面临着诸多挑战。陈锐认为，核聚变的主要难点集中在工程执行上。首先，氘氚聚变通常需要1亿摄氏度的高温，是太阳核心温度的7倍，这对装置材料和制造工艺提出极高要求。另外，在如此极端的条件下约束高温等离子体并不容易。
“目前最需要解决等离子体稳态和自持燃烧问题。”孙玄说。全球暂时还没有能够长时间燃烧的聚变堆，许多潜在问题可能尚未浮现。比如燃料问题，如果走氘氚聚变路线，由于氚在自然界不存在，需要人工制取，如何产氚、如何在反应中实现氚的循环使用都是问题。另外，由于氚也用于制造核武器，国家管控非常严格，商业化或难实现。
如果用具体参数来衡量，核聚变最重要的是实现一定的等离子体密度、温度和能量约束时间。“任何聚变团队都需要根据自身技术路径，明确三个参数的数值。”孙玄指出，目前亟待突破的就是能量约束时间，时间越长突破难度越大，这正是EAST专攻的领域。
自2006年建成运行以来，合肥科学岛上的EAST已屡破纪录。其等离子体运行次数超15万次，在这一领域的工程物理上持续保持国际领先。在长脉冲、高级别能量约束的模式下，EAST先后跨越60秒、100秒、400秒大关，并于今年实现1066秒的稳定运行。高级别的能量约束模式因其效率高、经济性强，是未来聚变实验堆和工程堆稳定运行的基本模式。孙玄认为，EAST刷新自身纪录意味着聚变工程运行模式的转变。早期的托卡马克只能间歇性地输出能量。如果要实现24小时不间断运行，最主要的方法是维持和延长等离子体电流。EAST通过各种加热手段实现了维持等离子体一定时间内的稳态，“这些都是了不起的结果”。
2022年3月，美国能源部召开了以“聚变能源商业化十年愿景”为主题的白宫峰会，列出了当年5项重要聚变进展，EAST当时已经实现了400秒高级别能量约束模式下的放电，位列其中。此外，还包括NIF的点火等。
不过，并不是所有聚变装置都能顺利完成任务。国际上最著名的托卡马克装置当属落址法国的国际热核聚变实验堆（ITER）。该项目于2006年启动，成员包括欧盟、美国、中国等7方，耗资已超过200亿美元。ITER原计划2016年建成运行，去年，ITER管理层对外宣布，该装置要到 2034 年才能首次投入运行，而氘、氚聚变的首次实验要等到 2039 年。
ITER也采用了任务拆解的方案，将装置各部分“外包”给成员国或者组织进行生产。ITER在拉丁语中意为“路”，其最初设计便是验证聚变堆各环节的可行性，是一个“铺路”项目。在孙玄看来，ITER可能是人类科研历史上最大的国际合作项目，与国际空间站类似。这种超大科学工程面临的挑战也十分复杂，无法在设计时就预测所有技术困难。
由于建造周期较长，ITER会遭遇各种不可控的事件，例如，由于是多国共建项目，ITER长期存在资金协调问题，受国家间政策影响很大。孙玄认为，如果ITER能够根据国家的能力水平分配任务，而不是根据贡献金额，其任务进程可能会更合理。此外，EAST等装置的科研成果都与ITER的最终成功密切相关，国际上许多聚变实验装置都将ITER的目标作为“支线任务”，业内仍希望看到这一国际项目能够最终成功。
“由于工程量大、任务复杂，各个国家操持的聚变项目要完整实现其目标，很可能要再等数十年。”孙玄说，“但可以肯定的是，我们已经站在了向聚变示范堆进发的起跑线上。”
在可控核聚变领域，还有一个颇为有意思的“50年定律”，即在任何历史节点，提起可控核聚变实现的时间，永远都是“未来50年”。在20世纪五六十年代，氢弹的成功爆炸让人们对于可控核聚变的实现充满信心。但人们很快意识到，可控核聚变理论成功，工程化困难，突破性进展很少。久而久之，“50年定律”深入人心。
不过，商业核聚变未必如此。ITER频繁“跳票”之后，资本市场也开始瞄准各国国内的聚变初创企业。在陈锐眼中，2018年是聚变发展的元年，得益于技术与材料的显著进步，特别是高温超导材料和AI技术的突破性进展。聚变能源的实现路径如今更加清晰和可行。
据FIA报告，到2023年，全球聚变行业融资规模达62亿美元，其中超过半数都来自2021年中期之后。整体融资中仅2.7亿美元来自政府公共资金，其余均来自私营部门。
最激进的美国聚变企业当属Helion公司。该公司成立于2013年，投资人包括OpenAI CEO山姆·奥特曼。2024年底，奥特曼向媒体透露，Helion将很快演示净能量增益核聚变。微软公司已与Helion签订对赌协议，希望在2028年采购由Helion提供的核聚变电力，功率不低于50兆瓦。这一数字虽小但意义重大，超过了美国头部风电场42兆瓦的年发电能力。许多业内人士表示，Helion若能兑现，将是“历史性时刻”。
Helion很少透露其技术路线和参数。孙玄指出，Helion的技术基于美国深厚的场反位形（FRC）研究历史。FRC是有别于托卡马克的一种聚变路径，其聚变装置呈直线型。一般直线型装置中，粒子很容易沿直线逸散，但如果通过磁场反转，在装置内部形成封闭磁场结构，同样可以实现粒子约束。
环形托卡马克的粒子热流、壁材料、超导等问题，理论上FRC都可以规避，因此，这一路线近年来备受重视。孙玄表示，从公开资料来看，Helion已关注到了FRC会导致的等离子体约束和不稳定问题，基于FRC的聚变能量转换“有很大的可能性成功”。陈锐对Helion的激进方案持审慎乐观态度，认为在缺乏更多公开信息的情况下，还需拭目以待。
无论成功与否，技术路线的拓展是聚变商业化的显著贡献。当托卡马克遇到诸多工程困境，企业又需要紧凑的聚变装置快速实现成果转化时，自然会通过探索更多理论获得相似的结果。例如，Helion瞄准的是氘、氦 - 3聚变。月球上有大量的氦 - 3储备，可以解决燃料来源问题。FRC可能是最适合非氘、氚聚变的一种技术路线，因此被Helion采纳。
业内人士认为，核聚变反应所需的电力成本，以及装置研发、制造与维护成本都不低，如何在推动技术突破的同时实现经济效益，也是“人造太阳”真正实现应用的难点。孙玄指出，国外许多企业开始利用技术生产副产品，例如制作放射性的医疗同位素等。国内企业如何“沿途下蛋”实现成果转化仍值得探讨。等离子体相关技术还可以用于目前核裂变电站的核废料处理。
“聚变是国家的重大战略需求，在它实现之前，投入规模只会越来越大。”孙玄说。2023年11月，国务院国有资产监督管理委员会明确提出，可控核聚变是未来能源发展的重要方向，鼓励更多企业加入发展可控核聚变事业。“商业化和市场化之后，肯定会有头部效应。但聚变市场非常庞大，可以容纳足够多的企业共同竞争。”
从星环聚能的时间表来看，其已迈出了商业化的第一步。2023年7月，其与清华大学联手建设了初步验证装置SUNIST - 2，能够将等离子体加热至1700万摄氏度。接下来，星环聚能将打造下一代技术验证装置CTRFR - 1，旨在彻底验证可控聚变的工程可行性，预计在2028年左右达成。此后，星环聚能将着手建设商业化聚变示范堆CTRFR - 2，在2028年底开始建设，3 - 5年内完成。
孙玄则更乐观一点。他也是聚变企业星能玄光的创始人，他预计，星能玄光能够在5年内实现聚变电力的产出。“企业很少选择和‘国家队’完全一样的技术路线，企业间的技术区分度也很大，这有利于管控风险，从不同角度逼近商业化的答案。”
可控核聚变的发展，就像是一场漫长而充满挑战的马拉松。从“一剑一堆”的突破，到各国科研团队的不懈努力，再到商业资本的纷纷入局，每一个阶段都凝聚着无数人的智慧和汗水。虽然前方仍然有许多未知和困难，但人类对于清洁能源的追求从未停止。随着技术的不断进步和商业化的逐步推进，或许在不久的将来，“人造太阳”真的能够照亮我们的生活，为人类带来无尽的清洁能源，开启一个全新的能源时代。让我们拭目以待，共同见证这一伟大的科技变革。
