核聚变被视作人类能源的终极解决方案,它的研究不仅关乎能源革命,更牵扯着大国之间的科技博弈。
中国在这条充满挑战的道路上,从艰难起步到跻身世界前列,走出了一条独具特色的发展之路。
1990年2月,中苏关系正常化后不久,中国核工业西南物理研究院院长李正武收到了一封来自苏联的信函。
发信人是苏联国防委员、库尔恰托夫研究所所长卡多姆彩夫院士,信中说苏联有一台难以维持的 “好东西”,愿意有条件赠送给中国。
这台 “好东西” 是苏联20世纪80年代初研发成功的全球首个超导托卡马克核聚变实验装置T-7。当时中国核聚变研究还停留在常规托卡马克阶段,在超导托卡马克领域几乎一片空白,苏联主动赠送的T-7成了难得的机会。但卡多姆彩夫提出,设备可以赠送,中国需提供1800万卢布用于研究所发放工资。
1990年的中国科研机构资金紧张,外汇更是短缺,1800万卢布的缺口很难填补。李正武立刻联系中科院等离子体所所长霍裕平院士。作为顶尖等离子体物理学家,霍裕平清楚T-7对中国核聚变研究的战略意义,当即决定接收。
面对资金难题,霍裕平提出 “以物易物” 的方案 —— 用中国商品换取T-7。当时苏联物资匮乏,中国商品在苏联市场能卖出数倍高价。等离子体所通过自筹资金、银行贷款,从全国采购羽绒服、牛仔裤、毛衣、皮大衣、罐头等物资运往苏联,最终成功换回T-7装置。
在随设备来华的苏联科学家协助下,1994年等离子体所完成T-7的国产化组装,命名为HT-7;后续又研发出HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置,也就是如今位于合肥的EAST(东方超环)。
自此,中国核聚变研究正式迈入国际前列。若用航母类比,T-7好比 “瓦良格号”,HT-7是 “山东舰”,EAST则是集大成的 “福建舰”。
2025年1月,EAST成功实现超过1006秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,刷新了托卡马克装置高约束模运行的世界纪录。
4月,EAST团队负责人、中国聚变设施总指挥李建刚院士透露,预计2027年建成全新聚变发电实验装置,最晚2030年能看到核聚变点亮的首盏灯。
7月,中国聚变能源有限公司在上海挂牌成立;与此同时,美国核聚变公司CFS与谷歌签署了全球最大的售电协议,计划2027年实现商业发电。
尽管全球在核聚变研究上投入巨大,但 “核聚变永远还有五十年” 的质疑声一直没停过 —— 从小学到大学,“核聚变还有五十年” 的说法流传了数十年,被调侃成 “画饼”。
核聚变的技术难度远超预期。对比核裂变:1938年核裂变效应被证实,7年后原子弹爆炸,9年后首座核电站发电;而核聚变自1926年恒星聚变理论提出,1958年首次实现可控核聚变,经历了近百年还没实现可靠试验,更别说商业运营了。
技术难点的核心在于:太阳依靠巨大质量产生的引力约束等离子体,在2500万度实现聚变;地球环境需要通过磁场约束等离子体,而且得达到1亿度高温。托卡马克装置(苏联发明的 “甜甜圈” 形磁笼)是主流方案,其磁场强度达到地球磁场的1万倍,需要超导线圈维持低损耗。
但超导线圈需要液氦冷却(-269℃),与装置内部1亿度高温形成极端温差,加上高能粒子对材料的破坏、能量增益(q值)突破等问题,都是工程级的挑战。
关键指标q值:q<1是能量净消耗;q≥10才具备初步商业价值;q≥30才能有电价优势。目前托卡马克方案的最佳成绩还没突破q=1。
国际热核聚变实验堆计划(ITER)作为35国合作项目,因为选址争议、美国 “退群 - 复群”、多国文化冲突等问题,进度严重滞后 —— 原计划2010年运行,先后推迟到2016年、2021年,最新预期是2033年,被质疑是 “刷论文工程”。
在这场全球竞争中,中美形成了双雄格局。美国通过政策限制(如2018年《中美民用核能合作政策框架》)、技术封锁(试图将中国排除出 ITER)来遏制中国;同时在惯性约束路线(激光点火)上取得进展 ——2022年国家点火装置(NIF)实现q>1(输入2.1兆焦激光能量,输出2.5兆焦),但激光器电能转换效率仅1%,实际q值不足0.01,商业价值有限。
美国资本正在加速布局核聚变:微软签约CFS(2028年发电)、谷歌投资TAE Technologies(2030年目标)、英伟达参与比尔・盖茨的Tara Power、OpenAI投资Helion等。资本的涌入推动了多元技术探索,有可能通过 “饱和式研发” 实现突破。
中国则采取 “国家+民营” 双轨模式:国家队层面,中科院牵头的 “聚变新能” 在合肥建设新一代聚变试验装置(BEST);国家成立中国聚变能源有限公司(注册资金150亿元),联合中核集团、中国石油昆仑资本等增资。
民营企业方面,星环聚能、能量起点、瀚海聚能等获得融资,按照不同技术路线研发。如米哈游投资的某公司,其新一代强磁场高温超导托卡马克装置 “洪荒 170” 技术水平已超越谷歌签约的CFS,计划2027年建成。
中国现有装置HL-2M(中国版ITER)已实现百万安培电流、离子温度1亿度、高约束模式运行,三参数乘积达10²²量级,距离点火只有一步之遥。如果燃烧试验阶段取得突破,实验堆、示范堆将快速推进。
人类文明史本质上是能源利用史。当前的化石能源只能支撑100-300年,而核聚变燃料(海水中的氘)能满足人类100亿年的需求,而且无污染、无核泄漏风险。国际能源署3000名科学家历时3年论证得出:人类终极能源80%来自核聚变,20%来自可再生能源。
核聚变不仅是能源突破,更是技术革命的引擎:其衍生的高温超导(向-100℃迈进)、氦- 3开发(月球资源)等技术将重塑工业体系;类比阿波罗计划带动500项专利、3000项技术成果,核聚变研究将为经济腾飞提供新动能。
中国在核聚变领域的征程如同一片 “黄金原野”—— 政府引导、科学家攻坚、资本投入、媒体宣传,全社会都在以信心为未来下注。
它的终极意义超越了技术本身:让人类从地球的纷争中抬头,重拾探索星辰的野心,相信文明配得上更浩瀚的未来。尽管突破艰难,但科技进步不是匀速的,就像相对论播下的 “苹果树” 已枝繁叶茂,最甜美的果实终将属于坚持不懈的探索者。
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更新时间:2025-08-04
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