基于可控核聚變技術(shù)跟蹤及商業(yè)應用的啟示與建議

寇書萌 張瀚舟

上海市發(fā)展改革研究院

0 引言

2022 年4 月印發(fā)的國家《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出，以更安全、更高效、更經(jīng)濟為主要特征的新一代核能技術(shù)及其多元化應用，是全球核能科技創(chuàng)新主要方向?？煽睾司圩冏鳛楹四艿拈_發(fā)方式之一，相比核裂變在安全、綠色、能量密度等方面更有優(yōu)勢，被譽為“理想的未來能源”。以美歐為代表的世界科技強國持續(xù)攻關(guān)可控核聚變技術(shù)，近兩年，技術(shù)創(chuàng)新進入高度活躍期，各項突破性成果、先進模式集中涌現(xiàn)，民營科技公司也嘗試涉足該領(lǐng)域。雖然核聚變從“不可控”到“可控”再到“商業(yè)化”還需要攻克大量難題，但這也恰好給了上海一個前瞻布局該領(lǐng)域的機會。研究認為，上海應把握可控核聚變技術(shù)發(fā)展窗口期，依托自身優(yōu)勢在相對成熟的環(huán)節(jié)形成關(guān)鍵點突破。

1 可控核聚變技術(shù)持續(xù)突破，行業(yè)關(guān)注度持續(xù)提高

1.1 可控核聚變是實現(xiàn)能源安全、綠色、經(jīng)濟供給的理想選擇

可控核聚變是在特定條件下控制核聚變的速度和規(guī)模，實現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出的核聚變反應。根據(jù)控制等離子體的方式不同，有引力約束、慣性約束和磁約束等三種技術(shù)路線。其中，引力約束在地球上無法實現(xiàn)，慣性約束由于電-激光轉(zhuǎn)化損耗極高暫不具備開發(fā)前景，相較之下，磁約束能量轉(zhuǎn)化效率更高，是更具發(fā)展?jié)摿Α⒏墒斓穆肪€，目前主流的磁約束裝置是環(huán)流器，又稱托卡馬克（TOKAMAK）。

1）可控核聚變具有多重優(yōu)勢

（1）安全可靠

燃料供應有保障，核聚變消耗的氘大量存在于海洋中，粗略估算海水蘊含的氘可供人類使用百億年。國際原子能機構(gòu)表示，可控核聚變在運行中不會出現(xiàn)類似裂變型的事故或核熔毀的“失控”鏈式反應。

（2）環(huán)境友好

氘氚核聚變反應的產(chǎn)物是惰性氦，不產(chǎn)生高放射性、長壽命的核廢物，也不會產(chǎn)生有毒有害氣體或者溫室氣體。

（3）經(jīng)濟性明顯

據(jù)測算，相比滿足每年全球一次能源消耗需要98萬t天然鈾、1 451個三峽電站、200億tce,聚變僅需消耗一個標準泳池的重水，考慮到重水價格每克不足千元，聚變電站每年的重水消耗量僅為克級水平，遠少于裂變電站。

（4）能量密度高

1 t氘氚聚變反應釋放的能量，相當于5.7 t裂變?nèi)剂匣?00 萬t 原油燃燒釋放的能量。地球上蘊藏的核聚變能約為全部可進行核裂變元素釋出能量的1 000萬倍。

2）可控核聚變技術(shù)目前仍處于“從0 到1”的基礎(chǔ)研究階段

自20 世紀60 年代啟動可控核聚變研究以來，包括我國在內(nèi)的世界各科技強國持續(xù)進行技術(shù)攻關(guān)，理論模型層面已推演了三代，但目前尚未走出實驗室進入到商業(yè)化發(fā)展階段。國家科技部等九部門聯(lián)合印發(fā)的《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022—2030 年）》中提及了一系列低碳零碳負碳技術(shù)，將可控核聚變技術(shù)歸為“前沿顛覆性低碳技術(shù)”范疇。

1.2 近兩年新動向：國內(nèi)外競相涌現(xiàn)“里程碑”式科技成果

1）從全球看，美國引領(lǐng)著國際聚變能源的發(fā)展方向

（1）已繪制核聚變發(fā)電廠路線圖

2021年，美國國家科學院、工程和醫(yī)學院在《將核聚變引入美國電網(wǎng)》（Bringing Fusion to the US Grid）中提出2035 至2040 年間實現(xiàn)聚變發(fā)電入網(wǎng)的目標。

（2）核聚變點火取得階段性成果

2022 年12 月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在不考慮電能轉(zhuǎn)化損耗情況下，首次實現(xiàn)了可控核聚變凈能量增益，Q 值達到1.53，這讓慣性約束核聚變的科學基礎(chǔ)得到證實1即裝置的能量輸出大于輸入?？茖W界運用“能量增益倍數(shù)”指標衡量聚變裝置性能，簡稱Q值，理論上當Q值大于1時，聚變具有商業(yè)價值。

（3）先行探索商業(yè)化聚變發(fā)電

美國Commonwealth Fusion Systems（CFS）是深度挖掘聚變發(fā)電商業(yè)化潛力的全球先驅(qū)，率先提出了聚變裝置小型化的技術(shù)路線，計劃于2025年建成10 倍能量增益、體積僅為ITER 2%～3%的高溫超導托卡馬克裝置（SPARC），在2030 年建成全球首個小型可控核聚變示范電站2國際熱核聚變實驗堆（ITER）是世界上最大的核聚變實驗裝置，體積接近北京天壇祈年殿，高30 m、直徑30 m、重達2.3萬t。

2）從我國看，核聚變相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展勢頭迅猛，技術(shù)水平躋身國際第一方陣

（1）研究機構(gòu)領(lǐng)銜磁約束聚變裝置研發(fā)

我國是全球范圍內(nèi)少數(shù)幾個能夠獨立開展可控核聚變技術(shù)研究和聚變裝置組建的國家之一。中科院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所和中國核工業(yè)集團西南物理研究院先后建成了“合肥超環(huán)-7”（HT-7）、“東方超環(huán)”（EAST）、“中國環(huán)流器二號A”（HL-2A）等多臺磁約束聚變裝置。

（2）在先進運行模式上取得重要科研進展

今年1 月7 日，“東方超環(huán)（EAST）”的團隊發(fā)現(xiàn)并證明了一種無需通過外部控制來確保長時間尺度上高性能等離子體穩(wěn)態(tài)運行的全新高能量約束模式，對于未來聚變堆運行具有重要意義。

（3）國產(chǎn)裝置發(fā)電時長攀登新高峰

2021 年末，EAST 裝置的長脈沖高參數(shù)等離子體運行時長打破世界紀錄，標志著我國核聚變研發(fā)距離點火邁進重要一步。

3）上海市具備推動核聚變技術(shù)向商用試點邁進的條件

（1）政策支持引導不斷強化

2022 年相繼出臺加強前沿和顛覆性低碳技術(shù)創(chuàng)新的若干政策，為可控核聚變等新一代核能技術(shù)攻關(guān)提供了政策引導。

（2）依托“獨角獸”企業(yè)，以實現(xiàn)商業(yè)化為目標的聚變能源示范項目與人才團隊落滬

能量奇點能源科技公司是國內(nèi)第一家致力于探索聚變能源商業(yè)化的民營企業(yè)，團隊集聚了多位來自國內(nèi)外頂級科研院所的技術(shù)專家，目前已在臨港研發(fā)和建設(shè)全球首臺基于全高溫超導磁體的緊湊型托卡馬克實驗裝置HH70，計劃于2024 年內(nèi)建成運行并點亮等離子體3類似于縮小版的SPARC，直徑約3 m。到2027 年，該公司計劃建成運行最高磁場強度達到20T TF 的HH200 裝置，實現(xiàn)10倍能量增益。全球、全國、上海可控核聚變主要發(fā)展情況比較（見表1）。

2 核聚變“可控”和“商業(yè)化”依然道阻且長

科爾尼管理咨詢在2023 年1 月發(fā)布的《未來五年的全球五大趨勢》報告中指出，“核聚變技術(shù)需要幾十年的時間才能取得規(guī)模性的商業(yè)運用，各類挑戰(zhàn)將繼續(xù)阻礙核能源在未來五年內(nèi)作為替代性可再生能源的進程”。換而言之，雖然可控核聚變加速演進在全球范圍內(nèi)持續(xù)取得重要進展，但現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展仍處于培育期，真正實現(xiàn)“可控”和“商業(yè)化”還需攻克技術(shù)、材料、工程等多重難題，短期內(nèi)對保障能源安全和應對氣候變化的貢獻有限，未來也還存在諸多不確定性，具體可以從四個方面分析。

2.1 技術(shù)層面：難以創(chuàng)造極端苛刻的反應條件

相比核裂變的鏈式反應，實現(xiàn)核聚變可控需要滿足一系列極其苛刻的外部條件，實現(xiàn)其中的每一個條件都是一項艱巨的任務，這些條件包括極高的燃燒溫度、超強的燃燒壓力以及連續(xù)約束時間等，只要有微小的變量偏差，反應就會立即中止。在溫度方面，在地球上創(chuàng)造聚變需要施加大約1 億℃高溫才能將兩個原子核變成等離子體，該溫度相當于太陽核心溫度的10倍，這對反應容器的耐受溫度提出極限挑戰(zhàn)。在持續(xù)運行時長方面，如今核裂變電站已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)全年穩(wěn)定運行，核聚變至少需要做到穩(wěn)定運行240 h 才具備商業(yè)價值，而當前最高紀錄是EAST 創(chuàng)造的1.2億℃101 s。

2.2 材料層面：完全支撐聚變反應的關(guān)鍵材料研制仍壁壘高筑

一方面，超導材料因在特定溫度條件下呈現(xiàn)出電阻等于零、排斥磁力線的特點，能夠為反應提供更強磁場，進而縮小托卡馬克裝置體積，理論上是適應聚變環(huán)境的理想材料。2020年10月，美國麻省理工學院（MIT）相關(guān)研究團隊在使用了新型高溫超導材料后，其設(shè)計的SPARC 反應堆能夠達到與ITER 同等級別的性能指標，而體積僅是后者的2%。但高溫超導材料具有力學性能差、不易加工等特點，以其中綜合性能相對較好的釔鋇銅氧（YBCO）為例，本質(zhì)上是一種陶瓷，在巨大電磁力之下表現(xiàn)得異常脆弱。另一方面，產(chǎn)氚包層是聚變堆實現(xiàn)氚自持和發(fā)電的堆芯核心部件之一，目前的優(yōu)勢氚增殖劑材料填充率有限及無法自由調(diào)控，嚴重影響包層結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。因此，從短期來看，完全適應和支撐核聚變反應的關(guān)鍵材料明顯存在短板。

2.3 工程層面：距離實現(xiàn)具備商業(yè)價值的凈能量增益仍然遙遠

美國NIF 選擇慣性約束路線首次實現(xiàn)可控核聚變Q值大于1引起社會各界的廣泛關(guān)注，但是“凈能量增益”掩蓋了電光能轉(zhuǎn)換效率極低的問題。僅從激光輸入輸出環(huán)節(jié)看，高能激光器向目標輸入2.05 MJ能量，產(chǎn)生了3.15 MJ 的能量輸出，凈能量增益為1.53，但如果向前追溯產(chǎn)生激光消耗的能量，實際全流程Q 值不足0.02。并且，從科學層面可行到工程和商業(yè)層面可行，還存在著巨大鴻溝。中國科學技術(shù)大學有關(guān)專家判斷，Q 值至少需達到10 以上才有商用意義，中核集團則認為至少要超過30。據(jù)國防科工局有關(guān)人士研判，Q 值至少達到4 至6 才能將聚變轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電力輸出，但即便是相對先進的磁約束路線的Q值最高紀錄也僅為0.67。

3 相關(guān)建議

可控核聚變堪稱“科技和能源雙料皇冠上的明珠”，雖然尚處于較為早期的基礎(chǔ)研究階段，卻已成為各國競爭追逐的熱點，未來或?qū)⒊蔀橹貥?gòu)全球創(chuàng)新版圖的轉(zhuǎn)折點。上海正值“科創(chuàng)中心”功能升級階段，建議采取面上布局、點上突破的方式，搶占制高點，引領(lǐng)可控核聚變技術(shù)發(fā)展。

3.1 前瞻布局，聚焦高溫超導、先進物理、人工智能等關(guān)鍵點開展技術(shù)攻關(guān)和商業(yè)模式探索

可控核聚變是復雜的系統(tǒng)性工程，涉及高溫超導材料、等離子體物理、深度學習和人工智能、系統(tǒng)控制等眾多高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，跨領(lǐng)域、跨行業(yè)、跨區(qū)域特征明顯。高溫超導、先進物理、人工智能是推動可控核聚變技術(shù)突破的關(guān)鍵驅(qū)動力和先行領(lǐng)域，也是上海逐漸積累起來具備潛在優(yōu)勢的領(lǐng)域。其中，高溫超導材料既是可控核聚變實驗中先行采購、大量消耗的材料，也是超導電纜、超導限流器、超導風機和超導儲能裝置的重要組成部分，具有廣

闊和可落地的商業(yè)場景，已經(jīng)進入產(chǎn)業(yè)化初期階段，未來5 年復合年均增長率（CAGR）將達到115.7%，有望撬動百億級市場空間4數(shù)據(jù)來源：Marketwatch。上海電纜研究所是國內(nèi)二代高溫超導開發(fā)與應用方面的領(lǐng)先單位，也是能量奇點等公司的材料供應商，研制的超導帶材料具有抗輻照能力強、超薄基帶、機械性能佳等優(yōu)勢。建議支持類似科研機構(gòu)或科技企業(yè)率先探索由可控核聚變賦能的新生產(chǎn)和服務模式，提升超導材料等前沿新材料的創(chuàng)新策源能力和自主保障能力，為可控核聚變重大工程和能源領(lǐng)域需求提供有力支撐。

3.2 政府清障，在可控核聚變技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)引導規(guī)則框架建立上未雨綢繆

可控核聚變及其產(chǎn)業(yè)鏈上的前瞻技術(shù)將極大地改變?nèi)藗儗ΜF(xiàn)行能源管理體系和運行模式的認知，需要構(gòu)建與之相適應的規(guī)則和秩序體系。政府相關(guān)部門既要做好可控核聚變知識的宣傳和普及工作，提升全社會普遍認知度和接受度，還要針對核能環(huán)境風險法律規(guī)制進程滯后、聚變能在標準、檢測、認證等方面存在空白和管理缺位的問題，加強研究儲備，探索適時出臺相關(guān)法律法規(guī)和規(guī)則標準，為可控核聚變技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展創(chuàng)造適宜的政策環(huán)境。

3.3 市場運作，在關(guān)鍵窗口期做好“兩個關(guān)注”

可控核聚變已進入技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵窗口期，建議上海市在可控核聚變等前沿技術(shù)的創(chuàng)新體系開發(fā)上，充分發(fā)揮市場的主導作用，各類市場主體需對技術(shù)動向保持高度敏銳力，做好“兩個關(guān)注”。一是關(guān)注技術(shù)發(fā)展趨勢及其內(nèi)在的需求牽引，融合人工智能、新材料、新業(yè)態(tài)等找準產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型的切入點。二是關(guān)注新興投資模式的形成。傳統(tǒng)的能源技術(shù)攻關(guān)和示范項目建設(shè)普遍以政府財力支持和國有企業(yè)具體承擔為主，但在可控核聚變領(lǐng)域，國內(nèi)外均出現(xiàn)了風險投資基金、主權(quán)財富基金、養(yǎng)老基金和大學捐贈基金等各類投資主體積極參與的景象，產(chǎn)業(yè)鏈多個環(huán)節(jié)上民間資本的投資總額已超過政府投資，成為聚變能源技術(shù)探索的關(guān)鍵推動力，應善加引導和利用。