一系列重大技術(shù)突破，預(yù)示著聚變研發(fā)正從“永遠(yuǎn)50年”進(jìn)入“10～20年”窗口期，商業(yè)公司的高效運(yùn)作可能進(jìn)一步縮短時(shí)間。
文/本刊記者 范珊珊
彭元?jiǎng)P
核聚變技術(shù)專家，美國(guó)斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理碩博士，在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從事聚變研發(fā)工作40年，原創(chuàng)性提出球形環(huán)聚變研發(fā)方向，后在美國(guó)普林斯頓等離子體物理研究所任職國(guó)家球形環(huán)實(shí)驗(yàn)（NSTX）研發(fā)主管10余年，退休后曾兼任中科大核學(xué)院外聘客座教授、中科院等離子體物理研究所特聘研究員。2018年起擔(dān)任新奧能源研究院聚變首席科學(xué)家。
今年以來，我國(guó)核聚變研究取得了一系列突破，引發(fā)了全球關(guān)注。當(dāng)前，我國(guó)核聚變研究總體水平在全球處于何種地位？這些突破是否意味著我國(guó)核聚變商業(yè)化再提速？帶著這些這些疑問，《能源》雜志采訪了核聚變技術(shù)專家、新奧核聚變首席科學(xué)家彭元?jiǎng)P，對(duì)我國(guó)核聚變技術(shù)未來發(fā)展面臨的一系列關(guān)鍵問題進(jìn)行了解答。
《能源》：2022年底，美國(guó)的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）實(shí)現(xiàn)凈增量增益，被視為可控核聚變里程碑事件。但托卡馬克裝置歷來是聚變發(fā)電研發(fā)的主流技術(shù)，您如何評(píng)價(jià)這兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)？誰(shuí)在發(fā)電利用上更有前景？
彭元?jiǎng)P：激光約束（慣性約束）短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)高能量增益（如NIF的5倍），適用于脈沖式微型聚變，在武器模擬與基礎(chǔ)物理研究中有獨(dú)特價(jià)值。沒有磁約束聚變對(duì)超導(dǎo)磁體、裝置第一壁抗中子輻射和抗高熱負(fù)荷等方面的苛刻要求。但是，其激光器的電光能量轉(zhuǎn)換效率低、重復(fù)頻率低。從細(xì)分場(chǎng)景來看，激光聚變或在小規(guī)模、特殊用途（如小型中子源）中占優(yōu)。
托卡馬克是磁約束的一種主要方式，也是目前聚變研究的主流方向。氘氚磁約束（托卡馬克、球形環(huán)、仿星器）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行潛力大（EAST已實(shí)現(xiàn)千秒級(jí)放電），氘氚聚變技術(shù)路線成熟（ITER項(xiàng)目積累數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)），更適合大規(guī)模發(fā)電廠。但它須解決超導(dǎo)磁體成本、氚自持與材料抗中子輻照集成性復(fù)雜工程問題。
從發(fā)電應(yīng)用來看，氘氚托卡馬克更可能率先測(cè)試示范堆。因其工程化路徑已清晰，且國(guó)際協(xié)作（如ITER）推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化。
《能源》：目前，中國(guó)的可控核聚變整體進(jìn)展情況如何？
彭元?jiǎng)P：我不是做慣性約束的，而是聚焦磁約束方面。磁約束目前主要有三個(gè)方向：托卡馬克，球形環(huán)，仿星器。托卡馬克還是磁約束的最大最強(qiáng)的研究方向，目前中國(guó)無論是在托卡馬克的工程領(lǐng)域還是物理實(shí)驗(yàn)方面都是走在世界前列的，等離子體所EAST的億攝氏度千秒H模是非常了不起的成果。在EAST做出千秒放電之后，法國(guó)WEST裝置也做出1300秒的放電，但是WEST的長(zhǎng)脈沖放電的電子溫度是5千萬(wàn)攝氏度，也就是EAST的一半，更大的區(qū)別是WEST是L模放電，而未來托卡馬克反應(yīng)堆希望是在H模運(yùn)行，因此EAST的長(zhǎng)脈沖成果領(lǐng)先。另外，“環(huán)流三號(hào)”最近的放電實(shí)驗(yàn)的電子溫度和離子溫度分別達(dá)到億攝氏度，這都是非常棒的成果。
在球形環(huán)方面，新奧的玄龍-50U的綜合性能級(jí)和參數(shù)是處于國(guó)際球形環(huán)的第一梯隊(duì)的。陜西星環(huán)聚變?cè)谥仡l磁重聯(lián)加熱方面也做出了很有特色的結(jié)果。而在仿星器方面，無論是裝置設(shè)計(jì)還是物理實(shí)驗(yàn)，我們還處于起步階段，距離德國(guó)和日本有相當(dāng)大的距離，未來可期。
在磁約束聚變涉及的工程技術(shù)方面，中國(guó)應(yīng)該是掌握最全面的，也具有最完善的產(chǎn)業(yè)鏈。俗話說，不能把雞蛋放在一個(gè)籃子里，中國(guó)雄厚的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和強(qiáng)大的國(guó)力應(yīng)該能支撐不止一個(gè)孵化聚變的籃子。
《能源》：今年來，我國(guó)核聚變特別是磁約束領(lǐng)域取得了一系列突破性進(jìn)展，是否意味著我們和世界其他國(guó)家核聚變研發(fā)處在同一水平線上？未來還有哪些挑戰(zhàn)？
彭元?jiǎng)P：我國(guó)聚變探索近年來不斷提速，特別是今年以來取得一系列重要進(jìn)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從基礎(chǔ)科學(xué)向工程實(shí)踐的重大跨越，從“跟跑”躍升至“并跑”甚至部分領(lǐng)跑，部分領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)際前沿水平。大國(guó)崛起的背后都離不開能源革命，支撐中國(guó)未來實(shí)現(xiàn)民族復(fù)興的能源革命就在于聚變。我國(guó)亟須加速突破聚變技術(shù)，搶占未來能源戰(zhàn)略的制高點(diǎn)。
全球聚變歷經(jīng)70余年科研探索，科學(xué)可行性業(yè)已得到驗(yàn)證，目前處于工程可行性驗(yàn)證向商業(yè)化應(yīng)用落地的關(guān)鍵過渡階段。全球各國(guó)對(duì)聚變實(shí)現(xiàn)突破的信心大增，競(jìng)相加大相關(guān)領(lǐng)域的投入。同時(shí)，我們應(yīng)看到，聚變技術(shù)難度超高、工程超級(jí)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化并網(wǎng)發(fā)電仍需較長(zhǎng)時(shí)期的技術(shù)攻堅(jiān)。最關(guān)鍵的技術(shù)難題和挑戰(zhàn)來自能量增益（Q值）與等離子體性能、建設(shè)成本、能量轉(zhuǎn)換效率、技術(shù)成熟度、功率密度與可擴(kuò)展性這幾個(gè)方面。
《能源》：核聚變作為人類的終極能源，聚變商業(yè)化實(shí)現(xiàn)后給人類的能源利用帶來了哪些深遠(yuǎn)的影響？
彭元?jiǎng)P：能源是人類文明發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。聚變基于無碳排放、產(chǎn)能穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠滿足人類能源的海量需求，一旦實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，或?qū)⑷缯羝麢C(jī)、電力等引發(fā)新一輪科技革命。我國(guó)作為能源消費(fèi)大國(guó)，在“雙碳”目標(biāo)和人工智能快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)綠色能源需求迫切，基于長(zhǎng)遠(yuǎn)能源需求，聚變將成為解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展問題的核心變量。突破聚變技術(shù)瓶頸，加速商用開發(fā)進(jìn)程，是構(gòu)建無碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系現(xiàn)實(shí)的理性選擇。
聚變商業(yè)化一旦實(shí)現(xiàn)，將對(duì)人類能源利用產(chǎn)生以下幾方面革命性影響。一是能源供應(yīng)徹底清潔化與無限化。二是重塑全球能源結(jié)構(gòu)與地緣政治格局。三是技術(shù)范式與能源經(jīng)濟(jì)的顛覆性創(chuàng)新。四是推動(dòng)跨學(xué)科科技突破與人類文明躍升。五是加速全球能源治理與合作模式轉(zhuǎn)型。
《能源》：外界對(duì)于聚變的進(jìn)展有個(gè)“還有50年”的說法，指代這一技術(shù)研發(fā)的難度和周期，似乎總是在50年后才落地。您如何評(píng)價(jià)當(dāng)前聚變研發(fā)進(jìn)展？它真的“還有50年”嗎？
彭元?jiǎng)P：這一說法反映了聚變研發(fā)的歷史困境，比如基礎(chǔ)科學(xué)突破緩慢、工程復(fù)雜度高、資金投入周期長(zhǎng)等。但當(dāng)前進(jìn)展已顯著改變這一預(yù)期。首先，技術(shù)進(jìn)步加速，高溫超導(dǎo)磁體（如CFS公司）和新型位形（如仿星器、球形托卡馬克）大幅提升了磁場(chǎng)使用和裝置設(shè)計(jì)效率。其次，資本與政策推動(dòng)，全球私人資本近5年投入超50億美元，遠(yuǎn)超政府項(xiàng)目。美國(guó)Helion、中國(guó)星環(huán)聚能等企業(yè)計(jì)劃2030年前實(shí)現(xiàn)示范堆。再次階段性突破證明科學(xué)可行性已接近，2022年NIF實(shí)現(xiàn)凈能量增益，托卡馬克裝置（如EAST）實(shí)現(xiàn)千秒級(jí)高約束模運(yùn)行，環(huán)流三號(hào)實(shí)現(xiàn)分別的電子及離子一億攝氏度溫度，玄龍-50U氫硼等離子體實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)安培電流等。聚變研發(fā)正從“永遠(yuǎn)50年”進(jìn)入“10～20年”窗口期，商業(yè)公司的高效運(yùn)作可能進(jìn)一步縮短時(shí)間。