美国陆军将要启动新一轮转型 王明志:转型之路可能会“翻车”
美国陆军将要启动新一轮转型 王明志:转型之路可能会“翻车”
美国陆军将要启动新一轮转型 王明志:转型之路可能会“翻车”5月下旬,A股可控(kěkòng)核聚变概念板块大涨(dàzhǎng),风头(fēngtou)一时无两。可控核聚变为我们描绘了一个无比美好的蓝图,接近零成本、无限获取的能源,将让人类文明再度来到新的起点。
可控(kěkòng)核聚变(héjùbiàn)背后(bèihòu),藏着一个怎样的人类新未来?端午节后的首个工作日,合肥综合性国家(guójiā)科学研究中心能源研究院科发处处长、聚变产业应用研究中心副主任孔德峰研究员接受了《每日经济新闻》记者的专访。
“我(wǒ)最开始选择可控核聚变这一研究方向,完全是随机的。但在(zài)多年的研究过程中,我逐渐坚信聚变技术是能够深刻影响人类(rénlèi)社会(shèhuì)发展的关键技术。一旦可控核聚变取得成功,人类社会必将迎来巨大的变革。怀揣着这样的梦想,我希望能为这一巨变贡献自己的力量。”
过去20余年,孔德峰(kǒngdéfēng)做的(de)事情很纯粹。本科阶段,他选择了应用物理专业,学习等离子体物理,继续深造时(shí),选择研究可控核聚变。2007年到2013年,孔德峰在(zài)中国科学技术大学完成了硕博连读。之后的9年中,孔德峰扎根中国科学院等离子体物理研究所(yánjiūsuǒ),开展可控核聚变的技术研究;2022年,进入合肥综合性国家科学中心能源研究院,继续开展聚变设计(shèjì)相关(xiāngguān)工作,持续在这条充满挑战与机遇的道路上探索前行。
作为聚变(jùbiàn)堆设计(shèjì)粒子控制负责人,孔德峰重点研究芯部加料对氚自持及氚燃烧份额的影响的评估,长期从事磁(cí)约束等离子体粒子反常输运研究和聚变堆装置(zhuāngzhì)物理设计。目前,其已在国际主要等离子体物理期刊发表文章30余篇(piān),其中以第一作者和通讯作者在NF、PPCF及POP等发表文章共计15篇。
孔德峰称,可控核聚变旨在模仿太阳原理,在地球上创造(chuàngzào)持续聚变能量,实现这一目标需要解决高温(gāowēn)、高密度和能量约束时间等难题。目前,人类已能将等离子体温度提高到1.6亿度,但(dàn)提高密度和能量约束时间仍是挑战。氚是可控核聚变的重要燃料,但自然界中含量极少(jíshǎo),且提取成本昂贵(ángguì)。实现氚自持是可控核聚变商业化的关键一步。
他(tā)还提到,必须重视核聚变的研发,并预计一旦(yídàn)可控核聚变商业化大规模实现,人类的生产生活方式将被彻底颠覆。
以下(yǐxià)为《每日经济新闻(xīnwén)》记者(以下简称“NBD”)与孔德峰的对话实录:
聚变反应的核心逻辑:打造“磁笼子”,增加氘氚(chuān)的碰撞次数
过去70多年,科学家们(men)为实现可控核聚变做出的(de)所有努力,若用一句话概括,孔德峰认为是“提高氘和氚(chuān)的碰撞次数”。为了增加高温氘氚的碰撞次数,科学家们想了个办法,将它们约束在利用磁场打造的“磁笼子”里,让带电粒子循环跑圈(quān),不断创造碰撞机会。
利用磁场打造(dǎzào)的“磁笼子” 图片来源:BEST装置总包单位提供
NBD:请介绍一下(yīxià)你在可控核聚变领域开展的主要工作?
孔德峰:可控核聚变(jùbiàn)是一个非常复杂的系统(xìtǒng),我们每一个“聚变人”都是这个复杂系统中的螺丝钉(luósīdīng)。我从研究开始,主要做的是湍流这部分,研究可控核聚变里面的一些不稳定性。后来逐步转到了芯部加料的系统开发,以及整个聚变反应堆的物理设计(shèjì)。
NBD:自诞生起,可控核聚变要解决的是(shì)什么问题?
孔德峰:可控核聚变最重要(zhòngyào)的(de)目标就是解决人类(rénlèi)能源的问题。聚变所产生的能源非常巨大,太阳是一个天然的聚变反应堆,滋养了地球和人类文明。人类目前使用(shǐyòng)的大部分能源——化石能源、光伏发电,甚至农业生产的粮食,本质(běnzhì)上都是太阳能的转化产物。而太阳能从聚变中产生,掌握可控核聚变技术,对于人类未来的发展会起到非常关键(guānjiàn)的作用。
NBD:如何理解(lǐjiě)“可控”二字?
孔德峰:它实际上(shíjìshàng)是相对(xiāngduì)于氢弹(qīngdàn)爆炸,即核武器的爆炸而(ér)言的。“曼哈顿”计划(美国陆军部研制原子弹计划)主要研究原子弹(一种核裂变(hélièbiàn)武器),但此后科学家很快开始探索氢弹(不可控核聚变)。氢弹爆炸会在瞬间释放出巨大的能量,对社会和城市造成巨大的破坏。因此,许多科学家开始思考,能否将氢弹释放的能量缓慢地释放出来,而不是在一瞬间全部(quánbù)释放,从而避免对环境、生态和装置的破坏。
NBD:实现可控(kěkòng)核聚变,我们已经达成了哪些初步目标?
孔德峰(kǒngdéfēng):实现(shíxiàn)可控核聚变是一项极具挑战性的(de)(de)任务。一方面,我们希望核聚变反应能够释放出能量,这需要满足所谓的“聚变三乘积”条件,即需要达到更(gèng)高的温度、更高的密度以及更长的能量约束时间。这是评估聚变反应能否实现点火(即能量自持燃烧)的核心判据,也被称为“劳逊判据”。
具体来说,要实现较好的能量输出,聚变反应的温度需要达到约1.6亿度(yìdù)。经过(jīngguò)可控核聚变领域70多年的发展,EAST装置(世界首个全超导托卡马克装置)已经能够将(jiāng)等离子体(děnglízǐtǐ)温度提升到1亿度,并且稳定运行1000多秒,中核集团的中国环流器3号装置也报道了电子(diànzi)和离子双亿度的实验结果。
但(dàn)仅仅提高温度是不够的(de),我们还需要同时提高等离子体的密度和能量约束(yuēshù)时间。因此,长期以来,人类一直在努力研究如何提高这三个参数,以达到聚变点火的条件。这是实现可控核聚变面临的核心挑战之一(zhīyī)。
NBD:针对这三个参数,我们目前重点在突破哪一个(yígè)方向?
孔德峰(kǒngdéfēng):经过早期发展,像欧洲“联合环”,还有美国(měiguó)的TFTR装置等,已摸索出在托卡马克装置上提高温度的方法,并且实现(shíxiàn)了聚变输出功率(shūchūgōnglǜ)接近输入功率。就当下(dāngxià)工程技术而言,温度已能达到,但想实现更高的功率输出,核心是提高密度和能量约束时间,尤其是能量约束时间。
能量约束时间是不好理解的物理量。举例来说,假设你和我(wǒ)是两个燃料粒子,你是氘(dāo),我是氚,科学家们费大力气把我们加热(jiārè)到1.6亿度,可即便正面碰撞,发生聚变反应的概率可能仅1%或更低。若(ruò)碰撞没发生聚变反应,你我就会朝(cháo)不同方向分离,加热消耗的能量就浪费了。
因此,提高碰撞(pèngzhuàng)次数才是(shì)科学家努力(nǔlì)追求的目标。以托卡马克装置为例,它利用磁场打造“磁笼子”,可以理解成让粒子循环运动的“跑道”。燃料(ránliào)粒子第一次碰面没碰撞成功也无妨,借助磁场约束,粒子能在(zài)“跑道”里循环跑圈,不断创造碰撞机会。每多跑一圈,就多一次碰撞可能,碰撞次数也随之增加。
而提高能量约束时间,本质(běnzhì)上就是让粒子在“跑道”里停留更久,以此(yǐcǐ)提高碰撞次数。粒子停留时间越长,碰撞次数越多,总有一次能发生聚变反应。并且,磁场强度越大(yuèdà),粒子聚在一起(jùzàiyìqǐ)碰撞的次数往往越多,在“跑道”停留时间也越长。
商业化的关键一步:氘氚(chuān)的稳定燃烧和氚的闭环循环
今年5月(yuè)1日,合肥BEST(紧凑型聚变(jùbiàn)能实验装置)项目启动了工程(gōngchéng)总装,比预计时间提前2个月,项目将于2027年完工,有望成为世界首个开展氘氚稳态(wěntài)燃烧的实验装置。此前不久,中核集团核工业西南物理(wùlǐ)研究院再次创下我国聚变装置运行新纪录——新一代人造太阳“中国环流三号”实现百万安培亿度H模,中国聚变快速挺进燃烧实验。技术持续突破(tūpò)、政策不断落地以及国内招投标加速,核聚变技术的工程化与商业化进程正在提速(tísù)。
合肥科学岛BEST工程总装现场 图片(túpiàn)来源(láiyuán):每经记者 张宝莲 摄
NBD:怎么理解EAST、BEST、CFEDR(中国聚变工程示范(shìfàn)堆)之间的关系(guānxì)?
孔德峰:EAST是一个等离子体物理实验装置(zhuāngzhì),核心(héxīn)是围绕劳逊判据(pànjù)展开研究(yánjiū)——如何提高温度。EAST装置的另一大特点是全超导(chāodǎo),能够实现长时间的稳定放电(fàngdiàn)。BEST核心目的是进行氘氚反应,即实现Q>1(Q=聚变输出能量/输入能量)的稳定功率输出。BEST目前聚变功率仅为50兆瓦到200兆瓦的水平。对未来的聚变反应堆来说,需要进一步提高聚变功率,目标是达到吉瓦(GW)级别,类似于(yú)现代煤电站的功率水平。
BEST之后就是CFEDR,要解决的是吉瓦级聚变(jùbiàn)功率问题和(hé)氚自持问题。氘在自然界中(zhōng)相对丰富,如(rú)海水中就含有氘,但氚在自然界中含量极少。因此,如何实现氚的增殖也是未来聚变反应堆需要解决的一个重要问题。
NBD:氚(chuān)从哪儿来?
孔德峰:现在的氚主要(zhǔyào)从核电站的重水反应堆中来,每年产量也就数公斤,但是一个吉瓦级的聚变堆每年消耗的氚可能达到几十公斤(jǐshígōngjīn)。从重水反应堆中提取氚,将其放入聚变装置中进行(jìnxíng)反应。氘和氚反应后会产生中子(zhōngzi),氚被消耗了。有人提出能否重新将这些中子打入锂-6中发生核反应,从而产生氚。再把氚重新提取出来,进一步注入到托卡马克(tuōkǎmǎkè)装置中,以满足反应中对氚的消耗,这就是氚增殖的概念(gàiniàn)。
换句话说,就是形成一个氚的闭环循环过程。理论上(shàng),这个循环是可以(kěyǐ)达到的,但毕竟还没有在实际装置上验证过。
所以,从实现聚变商业化的(de)角度来看,中间还有两步路要走。第一步就是通过BEST装置进行验证,其核心使命是实现氘氚的稳定燃烧,这是一个(yígè)需要进行系统验证(xìtǒngyànzhèng)的目标。另一个核心使命是氚增殖,即实现氚的闭环循环,消耗(xiāohào)多少氚就能产生多少氚,甚至产生的氚要大于消耗的氚,这是CFEDR等示范堆要(duīyào)验证的目标。
只有完成了这两个核心目标,我们才能认为(rènwéi)初步具备了商业化的价值(jiàzhí),进而可以推进到商业化聚变堆的设计和建造阶段。
NBD:有分析认为2030年是(shì)可控核聚变商业化的重要节点(jiédiǎn),你怎么看?
孔德峰:我(wǒ)感觉(gǎnjué)这个有点困难,可能没有这么乐观。BEST建成时间是2027年,做氘氚(chuān)运行可能还得两三年的时间,有可能到2030年左右实现氘氚实验。
要实现可控核聚变的大规模应用,无疑还有漫长的路要走。但这是必须做的一件事,因为谁(shuí)掌握了(le)这项(zhèxiàng)技术,谁就掌握了人类文明未来的发展方向(fāngxiàng)。至于何时能实现商业化,不同的人可能有不同的看法。刚开始时,其成本(chéngběn)可能会非常高,但随着可控核聚变技术的发展、投入的增加以及(yǐjí)规模化的扩大,每一项技术进步都意味着成本降低。最终,其成本有可能比其他(qítā)发电方式还要低很多,这就是可控核聚变的一个显著特点。
聚变工程攻坚(gōngjiān),创造了“沿途下蛋”的可能
科学家耗时70多年,将等离子体温度从百万度提升至亿度,为可控核聚变(héjùbiàn)点火奠定了基础。当前,第一壁(bì)材料如何抵御高温等离子体攻击、如何稳定聚变反应中(zhōng)的高能粒子,以及如何提升芯部加料效率等难题,仍有待攻克。尽管前路漫漫,但秉持着“沿途下蛋”的创新模式,研发过程中催生(cuīshēng)的技术(jìshù)成果已惠及其他行业的科技进步。
BEST装置(zhuāngzhì)设计图 图片来源:BEST装置宣传片截图
NBD:怎么理解核聚变反应中(zhōng)的那些不稳定性?
孔德峰:托卡马克装置中心部温度(wēndù)达到一点几亿度,边缘温度只有几千度或几百度(jǐbǎidù),这种温度梯度会造成一种势能,使高温高密度的粒子容易往边缘跑,造成不稳定性,类似“雪崩”。而且聚变反应产生的高能阿尔法粒子也(yě)会带来各种(gèzhǒng)不稳定性,需要控制(kòngzhì)这些粒子的运动轨迹,防止它们破坏装置。
NBD:你在当前工作中遇到(yùdào)哪些技术上的瓶颈?
孔德峰:有很多技术瓶颈。比如(bǐrú)芯部加料问题,现在常规的加料手段效率很低,以ITER装置为例,每(měi)注入100个(gè)(gè)氚(chuān)粒子(lìzi),仅有0.3个参与核反应,其余99.7个会被抽离,经氚工厂分离提纯后循环利用。但这一过程存在损耗,系统损耗的氚甚至超过实际反应消耗的量,对氚自持的循环提出了挑战。现在我们想办法把燃料粒子直接注入到芯部等离子体当中去,提高(tígāo)燃烧效率,这需要开发新的加料系统,又是一个非常复杂的挑战。
还有(háiyǒu)材料损伤问题(wèntí)。聚变反应产生的高温高密度等离子体对材料的腐蚀(fǔshí)和损伤比较严重,需要开发新的运行模式,或者提高材料的耐受能力。
NBD:研发过程中有(zhōngyǒu)很多专利(zhuānlì),对其他领域的科技进步有没有帮助?
孔德峰(kǒngdéfēng):可控核聚变(héjùbiàn)涉及很多前沿技术(qiányánjìshù),这些技术可以拓展到其他应用(yòng)场景。比如超导技术可以用在高分辨率核磁共振(hécígòngzhèn)、材料检测、蛋白质筛查、污水处理、半导体(bàndǎotǐ)单晶提拉等领域;微波技术可以用在安检仪、肿瘤细胞检测等领域;等离子体技术可以用在麻醉机消毒、细胞消融等领域;聚变中子可用于同位素制药(如锝-99m)、中子活化分析谱仪实现元素快速鉴定等。
未来图景:聚变的(de)终点,人类文明跃迁的起点
当可控核聚变实现大规模商业化,人类将(jiāng)叩开“终极能源(néngyuán)”的大门。接近于零的用电成本,释放的巨量电能,将重构人类社会的能源使用逻辑,引发生产和生活方式的颠覆性变革。“人造太阳”照亮地球时,那个能源免费、物质丰裕的未来,来得比我们想象(xiǎngxiàng)得更(gèng)真实。
NBD:可控核聚变商业化实现之后(zhīhòu),我们的生活大概会是(shì)什么样的?
孔德峰:可控核聚变最大的(de)特点(tèdiǎn)是原料成本非常低,氚虽然很贵,但它只是反应过程的中间产物,真正的原料成本——即(jí)氘和锂的成本可以(kěyǐ)忽略不计。随着规模化发展,建造成本也会降低,而且装置固有安全属性高,在安全防护方面的成本可能比现有的核电站低得多。
我们单位正在与中央美术学院等团队(tuánduì)合作,畅想电费降为一分钱时,未来的生活会(huì)发生哪些变化。
我个人(gèrén)畅想,当电费降到足够低,社会将发生根本性的变化。比如,农业可能会完全改变形式。目前,中国科学院天津工业生物技术研究所通过电、二氧化碳和水就可以合成淀粉,如果电足够便宜,我们(wǒmen)是不是可以通过工厂来生产粮食,而不再需要大量(dàliàng)的农田(nóngtián)。
另外,环境沙漠化问题(wèntí)也将得到解决(jiějué)。沙漠化问题的根源(gēnyuán)在于淡水短缺,海水淡化的最大成本就是电费。当电费足够低时,我们就可以通过沿海地区大规模生产淡水,再将其输送到需要的地方。

5月下旬,A股可控(kěkòng)核聚变概念板块大涨(dàzhǎng),风头(fēngtou)一时无两。可控核聚变为我们描绘了一个无比美好的蓝图,接近零成本、无限获取的能源,将让人类文明再度来到新的起点。
可控(kěkòng)核聚变(héjùbiàn)背后(bèihòu),藏着一个怎样的人类新未来?端午节后的首个工作日,合肥综合性国家(guójiā)科学研究中心能源研究院科发处处长、聚变产业应用研究中心副主任孔德峰研究员接受了《每日经济新闻》记者的专访。

“我(wǒ)最开始选择可控核聚变这一研究方向,完全是随机的。但在(zài)多年的研究过程中,我逐渐坚信聚变技术是能够深刻影响人类(rénlèi)社会(shèhuì)发展的关键技术。一旦可控核聚变取得成功,人类社会必将迎来巨大的变革。怀揣着这样的梦想,我希望能为这一巨变贡献自己的力量。”
过去20余年,孔德峰(kǒngdéfēng)做的(de)事情很纯粹。本科阶段,他选择了应用物理专业,学习等离子体物理,继续深造时(shí),选择研究可控核聚变。2007年到2013年,孔德峰在(zài)中国科学技术大学完成了硕博连读。之后的9年中,孔德峰扎根中国科学院等离子体物理研究所(yánjiūsuǒ),开展可控核聚变的技术研究;2022年,进入合肥综合性国家科学中心能源研究院,继续开展聚变设计(shèjì)相关(xiāngguān)工作,持续在这条充满挑战与机遇的道路上探索前行。
作为聚变(jùbiàn)堆设计(shèjì)粒子控制负责人,孔德峰重点研究芯部加料对氚自持及氚燃烧份额的影响的评估,长期从事磁(cí)约束等离子体粒子反常输运研究和聚变堆装置(zhuāngzhì)物理设计。目前,其已在国际主要等离子体物理期刊发表文章30余篇(piān),其中以第一作者和通讯作者在NF、PPCF及POP等发表文章共计15篇。
孔德峰称,可控核聚变旨在模仿太阳原理,在地球上创造(chuàngzào)持续聚变能量,实现这一目标需要解决高温(gāowēn)、高密度和能量约束时间等难题。目前,人类已能将等离子体温度提高到1.6亿度,但(dàn)提高密度和能量约束时间仍是挑战。氚是可控核聚变的重要燃料,但自然界中含量极少(jíshǎo),且提取成本昂贵(ángguì)。实现氚自持是可控核聚变商业化的关键一步。
他(tā)还提到,必须重视核聚变的研发,并预计一旦(yídàn)可控核聚变商业化大规模实现,人类的生产生活方式将被彻底颠覆。
以下(yǐxià)为《每日经济新闻(xīnwén)》记者(以下简称“NBD”)与孔德峰的对话实录:
聚变反应的核心逻辑:打造“磁笼子”,增加氘氚(chuān)的碰撞次数
过去70多年,科学家们(men)为实现可控核聚变做出的(de)所有努力,若用一句话概括,孔德峰认为是“提高氘和氚(chuān)的碰撞次数”。为了增加高温氘氚的碰撞次数,科学家们想了个办法,将它们约束在利用磁场打造的“磁笼子”里,让带电粒子循环跑圈(quān),不断创造碰撞机会。

利用磁场打造(dǎzào)的“磁笼子” 图片来源:BEST装置总包单位提供
NBD:请介绍一下(yīxià)你在可控核聚变领域开展的主要工作?
孔德峰:可控核聚变(jùbiàn)是一个非常复杂的系统(xìtǒng),我们每一个“聚变人”都是这个复杂系统中的螺丝钉(luósīdīng)。我从研究开始,主要做的是湍流这部分,研究可控核聚变里面的一些不稳定性。后来逐步转到了芯部加料的系统开发,以及整个聚变反应堆的物理设计(shèjì)。
NBD:自诞生起,可控核聚变要解决的是(shì)什么问题?
孔德峰:可控核聚变最重要(zhòngyào)的(de)目标就是解决人类(rénlèi)能源的问题。聚变所产生的能源非常巨大,太阳是一个天然的聚变反应堆,滋养了地球和人类文明。人类目前使用(shǐyòng)的大部分能源——化石能源、光伏发电,甚至农业生产的粮食,本质(běnzhì)上都是太阳能的转化产物。而太阳能从聚变中产生,掌握可控核聚变技术,对于人类未来的发展会起到非常关键(guānjiàn)的作用。
NBD:如何理解(lǐjiě)“可控”二字?
孔德峰:它实际上(shíjìshàng)是相对(xiāngduì)于氢弹(qīngdàn)爆炸,即核武器的爆炸而(ér)言的。“曼哈顿”计划(美国陆军部研制原子弹计划)主要研究原子弹(一种核裂变(hélièbiàn)武器),但此后科学家很快开始探索氢弹(不可控核聚变)。氢弹爆炸会在瞬间释放出巨大的能量,对社会和城市造成巨大的破坏。因此,许多科学家开始思考,能否将氢弹释放的能量缓慢地释放出来,而不是在一瞬间全部(quánbù)释放,从而避免对环境、生态和装置的破坏。
NBD:实现可控(kěkòng)核聚变,我们已经达成了哪些初步目标?
孔德峰(kǒngdéfēng):实现(shíxiàn)可控核聚变是一项极具挑战性的(de)(de)任务。一方面,我们希望核聚变反应能够释放出能量,这需要满足所谓的“聚变三乘积”条件,即需要达到更(gèng)高的温度、更高的密度以及更长的能量约束时间。这是评估聚变反应能否实现点火(即能量自持燃烧)的核心判据,也被称为“劳逊判据”。
具体来说,要实现较好的能量输出,聚变反应的温度需要达到约1.6亿度(yìdù)。经过(jīngguò)可控核聚变领域70多年的发展,EAST装置(世界首个全超导托卡马克装置)已经能够将(jiāng)等离子体(děnglízǐtǐ)温度提升到1亿度,并且稳定运行1000多秒,中核集团的中国环流器3号装置也报道了电子(diànzi)和离子双亿度的实验结果。
但(dàn)仅仅提高温度是不够的(de),我们还需要同时提高等离子体的密度和能量约束(yuēshù)时间。因此,长期以来,人类一直在努力研究如何提高这三个参数,以达到聚变点火的条件。这是实现可控核聚变面临的核心挑战之一(zhīyī)。
NBD:针对这三个参数,我们目前重点在突破哪一个(yígè)方向?
孔德峰(kǒngdéfēng):经过早期发展,像欧洲“联合环”,还有美国(měiguó)的TFTR装置等,已摸索出在托卡马克装置上提高温度的方法,并且实现(shíxiàn)了聚变输出功率(shūchūgōnglǜ)接近输入功率。就当下(dāngxià)工程技术而言,温度已能达到,但想实现更高的功率输出,核心是提高密度和能量约束时间,尤其是能量约束时间。
能量约束时间是不好理解的物理量。举例来说,假设你和我(wǒ)是两个燃料粒子,你是氘(dāo),我是氚,科学家们费大力气把我们加热(jiārè)到1.6亿度,可即便正面碰撞,发生聚变反应的概率可能仅1%或更低。若(ruò)碰撞没发生聚变反应,你我就会朝(cháo)不同方向分离,加热消耗的能量就浪费了。
因此,提高碰撞(pèngzhuàng)次数才是(shì)科学家努力(nǔlì)追求的目标。以托卡马克装置为例,它利用磁场打造“磁笼子”,可以理解成让粒子循环运动的“跑道”。燃料(ránliào)粒子第一次碰面没碰撞成功也无妨,借助磁场约束,粒子能在(zài)“跑道”里循环跑圈,不断创造碰撞机会。每多跑一圈,就多一次碰撞可能,碰撞次数也随之增加。
而提高能量约束时间,本质(běnzhì)上就是让粒子在“跑道”里停留更久,以此(yǐcǐ)提高碰撞次数。粒子停留时间越长,碰撞次数越多,总有一次能发生聚变反应。并且,磁场强度越大(yuèdà),粒子聚在一起(jùzàiyìqǐ)碰撞的次数往往越多,在“跑道”停留时间也越长。
商业化的关键一步:氘氚(chuān)的稳定燃烧和氚的闭环循环
今年5月(yuè)1日,合肥BEST(紧凑型聚变(jùbiàn)能实验装置)项目启动了工程(gōngchéng)总装,比预计时间提前2个月,项目将于2027年完工,有望成为世界首个开展氘氚稳态(wěntài)燃烧的实验装置。此前不久,中核集团核工业西南物理(wùlǐ)研究院再次创下我国聚变装置运行新纪录——新一代人造太阳“中国环流三号”实现百万安培亿度H模,中国聚变快速挺进燃烧实验。技术持续突破(tūpò)、政策不断落地以及国内招投标加速,核聚变技术的工程化与商业化进程正在提速(tísù)。

合肥科学岛BEST工程总装现场 图片(túpiàn)来源(láiyuán):每经记者 张宝莲 摄
NBD:怎么理解EAST、BEST、CFEDR(中国聚变工程示范(shìfàn)堆)之间的关系(guānxì)?
孔德峰:EAST是一个等离子体物理实验装置(zhuāngzhì),核心(héxīn)是围绕劳逊判据(pànjù)展开研究(yánjiū)——如何提高温度。EAST装置的另一大特点是全超导(chāodǎo),能够实现长时间的稳定放电(fàngdiàn)。BEST核心目的是进行氘氚反应,即实现Q>1(Q=聚变输出能量/输入能量)的稳定功率输出。BEST目前聚变功率仅为50兆瓦到200兆瓦的水平。对未来的聚变反应堆来说,需要进一步提高聚变功率,目标是达到吉瓦(GW)级别,类似于(yú)现代煤电站的功率水平。
BEST之后就是CFEDR,要解决的是吉瓦级聚变(jùbiàn)功率问题和(hé)氚自持问题。氘在自然界中(zhōng)相对丰富,如(rú)海水中就含有氘,但氚在自然界中含量极少。因此,如何实现氚的增殖也是未来聚变反应堆需要解决的一个重要问题。
NBD:氚(chuān)从哪儿来?
孔德峰:现在的氚主要(zhǔyào)从核电站的重水反应堆中来,每年产量也就数公斤,但是一个吉瓦级的聚变堆每年消耗的氚可能达到几十公斤(jǐshígōngjīn)。从重水反应堆中提取氚,将其放入聚变装置中进行(jìnxíng)反应。氘和氚反应后会产生中子(zhōngzi),氚被消耗了。有人提出能否重新将这些中子打入锂-6中发生核反应,从而产生氚。再把氚重新提取出来,进一步注入到托卡马克(tuōkǎmǎkè)装置中,以满足反应中对氚的消耗,这就是氚增殖的概念(gàiniàn)。
换句话说,就是形成一个氚的闭环循环过程。理论上(shàng),这个循环是可以(kěyǐ)达到的,但毕竟还没有在实际装置上验证过。
所以,从实现聚变商业化的(de)角度来看,中间还有两步路要走。第一步就是通过BEST装置进行验证,其核心使命是实现氘氚的稳定燃烧,这是一个(yígè)需要进行系统验证(xìtǒngyànzhèng)的目标。另一个核心使命是氚增殖,即实现氚的闭环循环,消耗(xiāohào)多少氚就能产生多少氚,甚至产生的氚要大于消耗的氚,这是CFEDR等示范堆要(duīyào)验证的目标。
只有完成了这两个核心目标,我们才能认为(rènwéi)初步具备了商业化的价值(jiàzhí),进而可以推进到商业化聚变堆的设计和建造阶段。
NBD:有分析认为2030年是(shì)可控核聚变商业化的重要节点(jiédiǎn),你怎么看?
孔德峰:我(wǒ)感觉(gǎnjué)这个有点困难,可能没有这么乐观。BEST建成时间是2027年,做氘氚(chuān)运行可能还得两三年的时间,有可能到2030年左右实现氘氚实验。
要实现可控核聚变的大规模应用,无疑还有漫长的路要走。但这是必须做的一件事,因为谁(shuí)掌握了(le)这项(zhèxiàng)技术,谁就掌握了人类文明未来的发展方向(fāngxiàng)。至于何时能实现商业化,不同的人可能有不同的看法。刚开始时,其成本(chéngběn)可能会非常高,但随着可控核聚变技术的发展、投入的增加以及(yǐjí)规模化的扩大,每一项技术进步都意味着成本降低。最终,其成本有可能比其他(qítā)发电方式还要低很多,这就是可控核聚变的一个显著特点。
聚变工程攻坚(gōngjiān),创造了“沿途下蛋”的可能
科学家耗时70多年,将等离子体温度从百万度提升至亿度,为可控核聚变(héjùbiàn)点火奠定了基础。当前,第一壁(bì)材料如何抵御高温等离子体攻击、如何稳定聚变反应中(zhōng)的高能粒子,以及如何提升芯部加料效率等难题,仍有待攻克。尽管前路漫漫,但秉持着“沿途下蛋”的创新模式,研发过程中催生(cuīshēng)的技术(jìshù)成果已惠及其他行业的科技进步。

BEST装置(zhuāngzhì)设计图 图片来源:BEST装置宣传片截图
NBD:怎么理解核聚变反应中(zhōng)的那些不稳定性?
孔德峰:托卡马克装置中心部温度(wēndù)达到一点几亿度,边缘温度只有几千度或几百度(jǐbǎidù),这种温度梯度会造成一种势能,使高温高密度的粒子容易往边缘跑,造成不稳定性,类似“雪崩”。而且聚变反应产生的高能阿尔法粒子也(yě)会带来各种(gèzhǒng)不稳定性,需要控制(kòngzhì)这些粒子的运动轨迹,防止它们破坏装置。
NBD:你在当前工作中遇到(yùdào)哪些技术上的瓶颈?
孔德峰:有很多技术瓶颈。比如(bǐrú)芯部加料问题,现在常规的加料手段效率很低,以ITER装置为例,每(měi)注入100个(gè)(gè)氚(chuān)粒子(lìzi),仅有0.3个参与核反应,其余99.7个会被抽离,经氚工厂分离提纯后循环利用。但这一过程存在损耗,系统损耗的氚甚至超过实际反应消耗的量,对氚自持的循环提出了挑战。现在我们想办法把燃料粒子直接注入到芯部等离子体当中去,提高(tígāo)燃烧效率,这需要开发新的加料系统,又是一个非常复杂的挑战。
还有(háiyǒu)材料损伤问题(wèntí)。聚变反应产生的高温高密度等离子体对材料的腐蚀(fǔshí)和损伤比较严重,需要开发新的运行模式,或者提高材料的耐受能力。
NBD:研发过程中有(zhōngyǒu)很多专利(zhuānlì),对其他领域的科技进步有没有帮助?
孔德峰(kǒngdéfēng):可控核聚变(héjùbiàn)涉及很多前沿技术(qiányánjìshù),这些技术可以拓展到其他应用(yòng)场景。比如超导技术可以用在高分辨率核磁共振(hécígòngzhèn)、材料检测、蛋白质筛查、污水处理、半导体(bàndǎotǐ)单晶提拉等领域;微波技术可以用在安检仪、肿瘤细胞检测等领域;等离子体技术可以用在麻醉机消毒、细胞消融等领域;聚变中子可用于同位素制药(如锝-99m)、中子活化分析谱仪实现元素快速鉴定等。
未来图景:聚变的(de)终点,人类文明跃迁的起点
当可控核聚变实现大规模商业化,人类将(jiāng)叩开“终极能源(néngyuán)”的大门。接近于零的用电成本,释放的巨量电能,将重构人类社会的能源使用逻辑,引发生产和生活方式的颠覆性变革。“人造太阳”照亮地球时,那个能源免费、物质丰裕的未来,来得比我们想象(xiǎngxiàng)得更(gèng)真实。
NBD:可控核聚变商业化实现之后(zhīhòu),我们的生活大概会是(shì)什么样的?
孔德峰:可控核聚变最大的(de)特点(tèdiǎn)是原料成本非常低,氚虽然很贵,但它只是反应过程的中间产物,真正的原料成本——即(jí)氘和锂的成本可以(kěyǐ)忽略不计。随着规模化发展,建造成本也会降低,而且装置固有安全属性高,在安全防护方面的成本可能比现有的核电站低得多。
我们单位正在与中央美术学院等团队(tuánduì)合作,畅想电费降为一分钱时,未来的生活会(huì)发生哪些变化。
我个人(gèrén)畅想,当电费降到足够低,社会将发生根本性的变化。比如,农业可能会完全改变形式。目前,中国科学院天津工业生物技术研究所通过电、二氧化碳和水就可以合成淀粉,如果电足够便宜,我们(wǒmen)是不是可以通过工厂来生产粮食,而不再需要大量(dàliàng)的农田(nóngtián)。
另外,环境沙漠化问题(wèntí)也将得到解决(jiějué)。沙漠化问题的根源(gēnyuán)在于淡水短缺,海水淡化的最大成本就是电费。当电费足够低时,我们就可以通过沿海地区大规模生产淡水,再将其输送到需要的地方。

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