解碼可控核聚變 | 專訪合肥綜合性國家科學研究中心孔德峰：未來電費降至足夠低時，工廠有望代替農田產糧

每經記者｜張寶蓮    每經編輯｜董興生    

5月下旬，A股可控核聚變概念板塊大漲，風頭一時無兩。可控核聚變為我們描繪了一個無比美好的藍圖，接近零成本、無限獲取的能源，將讓人類文明再度來到新的起點。

可控核聚變背后，藏著一個怎樣的人類新未來？端午節后的首個工作日，合肥綜合性國家科學研究中心能源研究院科發處處長、聚變產業應用研究中心副主任孔德峰研究員接受了《每日經濟新聞》記者的專訪。

孔德峰

“我最開始選擇可控核聚變這一研究方向，完全是隨機的。但在多年的研究過程中，我逐漸堅信聚變技術是能夠深刻影響人類社會發展的關鍵技術。一旦可控核聚變取得成功，人類社會必將迎來巨大的變革。懷揣著這樣的夢想，我希望能為這一巨變貢獻自己的力量。”

過去20余年，孔德峰做的事情很純粹。本科階段，他選擇了應用物理專業，學習等離子體物理，繼續深造時，選擇研究可控核聚變。2007年到2013年，孔德峰在中國科學技術大學完成了碩博連讀。之后的9年中，孔德峰扎根中國科學院等離子體物理研究所，開展可控核聚變的技術研究；2022年，進入合肥綜合性國家科學中心能源研究院，繼續開展聚變設計相關工作，持續在這條充滿挑戰與機遇的道路上探索前行。

作為聚變堆設計粒子控制負責人，孔德峰重點研究芯部加料對氚自持及氚燃燒份額的影響的評估，長期從事磁約束等離子體粒子反常輸運研究和聚變堆裝置物理設計。目前，其已在國際主要等離子體物理期刊發表文章30余篇，其中以第一作者和通訊作者在NF、PPCF及POP等發表文章共計15篇。

孔德峰稱，可控核聚變旨在模仿太陽原理，在地球上創造持續聚變能量，實現這一目標需要解決高溫、高密度和能量約束時間等難題。目前，人類已能將等離子體溫度提高到1.6億度，但提高密度和能量約束時間仍是挑戰。氚是可控核聚變的重要燃料，但自然界中含量極少，且提取成本昂貴。實現氚自持是可控核聚變商業化的關鍵一步。

他還提到，必須重視核聚變的研發，并預計一旦可控核聚變商業化大規模實現，人類的生產生活方式將被徹底顛覆。

 

以下為《每日經濟新聞》記者（以下簡稱“NBD”）與孔德峰的對話實錄：

聚變反應的核心邏輯：打造“磁籠子”，增加氘氚的碰撞次數

過去70多年，科學家們為實現可控核聚變做出的所有努力，若用一句話概括，孔德峰認為是“提高氘和氚的碰撞次數”。為了增加高溫氘氚的碰撞次數，科學家們想了個辦法，將它們約束在利用磁場打造的“磁籠子”里，讓帶電粒子循環跑圈，不斷創造碰撞機會。

利用磁場打造的“磁籠子” 圖片來源：BEST裝置總包單位提供

NBD：請介紹一下你在可控核聚變領域開展的主要工作？

孔德峰：可控核聚變是一個非常復雜的系統，我們每一個“聚變人”都是這個復雜系統中的螺絲釘。我從研究開始，主要做的是湍流這部分，研究可控核聚變里面的一些不穩定性。后來逐步轉到了芯部加料的系統開發，以及整個聚變反應堆的物理設計。

NBD：自誕生起，可控核聚變要解決的是什么問題？

孔德峰：可控核聚變最重要的目標就是解決人類能源的問題。聚變所產生的能源非常巨大，太陽是一個天然的聚變反應堆，滋養了地球和人類文明。人類目前使用的大部分能源——化石能源、光伏發電，甚至農業生產的糧食，本質上都是太陽能的轉化產物。而太陽能從聚變中產生，掌握可控核聚變技術，對于人類未來的發展會起到非常關鍵的作用。

NBD：如何理解“可控”二字？

孔德峰：它實際上是相對于氫彈爆炸，即核武器的爆炸而言的。“曼哈頓”計劃（美國陸軍部研制原子彈計劃）主要研究原子彈（一種核裂變武器），但此后科學家很快開始探索氫彈（不可控核聚變）。氫彈爆炸會在瞬間釋放出巨大的能量，對社會和城市造成巨大的破壞。因此，許多科學家開始思考，能否將氫彈釋放的能量緩慢地釋放出來，而不是在一瞬間全部釋放，從而避免對環境、生態和裝置的破壞。

NBD：實現可控核聚變，我們已經達成了哪些初步目標？

孔德峰：實現可控核聚變是一項極具挑戰性的任務。一方面，我們希望核聚變反應能夠釋放出能量，這需要滿足所謂的“聚變三乘積”條件，即需要達到更高的溫度、更高的密度以及更長的能量約束時間。這是評估聚變反應能否實現點火（即能量自持燃燒）的核心判據，也被稱為“勞遜判據”。

具體來說，要實現較好的能量輸出，聚變反應的溫度需要達到約1.6億度。經過可控核聚變領域70多年的發展，EAST裝置（世界首個全超導托卡馬克裝置）已經能夠將等離子體溫度提升到1億度，并且穩定運行1000多秒，中核集團的中國環流器3號裝置也報道了電子和離子雙億度的實驗結果。

但僅僅提高溫度是不夠的，我們還需要同時提高等離子體的密度和能量約束時間。因此，長期以來，人類一直在努力研究如何提高這三個參數，以達到聚變點火的條件。這是實現可控核聚變面臨的核心挑戰之一。

NBD：針對這三個參數，我們目前重點在突破哪一個方向？

孔德峰：經過早期發展，像歐洲“聯合環”，還有美國的TFTR裝置等，已摸索出在托卡馬克裝置上提高溫度的方法，并且實現了聚變輸出功率接近輸入功率。就當下工程技術而言，溫度已能達到，但想實現更高的功率輸出，核心是提高密度和能量約束時間，尤其是能量約束時間。

能量約束時間是不好理解的物理量。舉例來說，假設你和我是兩個燃料粒子，你是氘，我是氚，科學家們費大力氣把我們加熱到1.6億度，可即便正面碰撞，發生聚變反應的概率可能僅1%或更低。若碰撞沒發生聚變反應，你我就會朝不同方向分離，加熱消耗的能量就浪費了。

因此，提高碰撞次數才是科學家努力追求的目標。以托卡馬克裝置為例，它利用磁場打造“磁籠子”，可以理解成讓粒子循環運動的“跑道”。燃料粒子第一次碰面沒碰撞成功也無妨，借助磁場約束，粒子能在“跑道”里循環跑圈，不斷創造碰撞機會。每多跑一圈，就多一次碰撞可能，碰撞次數也隨之增加。

而提高能量約束時間，本質上就是讓粒子在“跑道”里停留更久，以此提高碰撞次數。粒子停留時間越長，碰撞次數越多，總有一次能發生聚變反應。并且，磁場強度越大，粒子聚在一起碰撞的次數往往越多，在“跑道”停留時間也越長。

商業化的關鍵一步：氘氚的穩定燃燒和氚的閉環循環

今年5月1日，合肥BEST（緊湊型聚變能實驗裝置）項目啟動了工程總裝，比預計時間提前2個月，項目將于2027年完工，有望成為世界首個開展氘氚穩態燃燒的實驗裝置。此前不久，中核集團核工業西南物理研究院再次創下我國聚變裝置運行新紀錄——新一代人造太陽“中國環流三號”實現百萬安培億度H模，中國聚變快速挺進燃燒實驗。技術持續突破、政策不斷落地以及國內招投標加速，核聚變技術的工程化與商業化進程正在提速。

合肥科學島BEST工程總裝現場 圖片來源：每經記者 張寶蓮 攝

NBD：怎么理解EAST、BEST、CFEDR（中國聚變工程示范堆）之間的關系？

孔德峰：EAST是一個等離子體物理實驗裝置，核心是圍繞勞遜判據展開研究——如何提高溫度。EAST裝置的另一大特點是全超導，能夠實現長時間的穩定放電。BEST核心目的是進行氘氚反應，即實現Q＞1（Q=聚變輸出能量/輸入能量）的穩定功率輸出。BEST目前聚變功率僅為50兆瓦到200兆瓦的水平。對未來的聚變反應堆來說，需要進一步提高聚變功率，目標是達到吉瓦（GW）級別，類似于現代煤電站的功率水平。

BEST之后就是CFEDR，要解決的是吉瓦級聚變功率問題和氚自持問題。氘在自然界中相對豐富，如海水中就含有氘，但氚在自然界中含量極少。因此，如何實現氚的增殖也是未來聚變反應堆需要解決的一個重要問題。

NBD：氚從哪兒來？

孔德峰：現在的氚主要從核電站的重水反應堆中來，每年產量也就數公斤，但是一個吉瓦級的聚變堆每年消耗的氚可能達到幾十公斤。從重水反應堆中提取氚，將其放入聚變裝置中進行反應。氘和氚反應后會產生中子，氚被消耗了。有人提出能否重新將這些中子打入鋰-6中發生核反應，從而產生氚。再把氚重新提取出來，進一步注入到托卡馬克裝置中，以滿足反應中對氚的消耗，這就是氚增殖的概念。

換句話說，就是形成一個氚的閉環循環過程。理論上，這個循環是可以達到的，但畢竟還沒有在實際裝置上驗證過。

所以，從實現聚變商業化的角度來看，中間還有兩步路要走。第一步就是通過BEST裝置進行驗證，其核心使命是實現氘氚的穩定燃燒，這是一個需要進行系統驗證的目標。另一個核心使命是氚增殖，即實現氚的閉環循環，消耗多少氚就能產生多少氚，甚至產生的氚要大于消耗的氚，這是CFEDR等示范堆要驗證的目標。

只有完成了這兩個核心目標，我們才能認為初步具備了商業化的價值，進而可以推進到商業化聚變堆的設計和建造階段。

NBD：有分析認為2030年是可控核聚變商業化的重要節點，你怎么看？

孔德峰：我感覺這個有點困難，可能沒有這么樂觀。BEST建成時間是2027年，做氘氚運行可能還得兩三年的時間，有可能到2030年左右實現氘氚實驗。

要實現可控核聚變的大規模應用，無疑還有漫長的路要走。但這是必須做的一件事，因為誰掌握了這項技術，誰就掌握了人類文明未來的發展方向。至于何時能實現商業化，不同的人可能有不同的看法。剛開始時，其成本可能會非常高，但隨著可控核聚變技術的發展、投入的增加以及規模化的擴大，每一項技術進步都意味著成本降低。最終，其成本有可能比其他發電方式還要低很多，這就是可控核聚變的一個顯著特點。

聚變工程攻堅，創造了“沿途下蛋”的可能

科學家耗時70多年，將等離子體溫度從百萬度提升至億度，為可控核聚變點火奠定了基礎。當前，第一壁材料如何抵御高溫等離子體攻擊、如何穩定聚變反應中的高能粒子，以及如何提升芯部加料效率等難題，仍有待攻克。盡管前路漫漫，但秉持著“沿途下蛋”的創新模式，研發過程中催生的技術成果已惠及其他行業的科技進步。

BEST裝置設計圖 圖片來源：BEST裝置宣傳片截圖

NBD：怎么理解核聚變反應中的那些不穩定性？

孔德峰：托卡馬克裝置中心部溫度達到一點幾億度，邊緣溫度只有幾千度或幾百度，這種溫度梯度會造成一種勢能，使高溫高密度的粒子容易往邊緣跑，造成不穩定性，類似“雪崩”。而且聚變反應產生的高能阿爾法粒子也會帶來各種不穩定性，需要控制這些粒子的運動軌跡，防止它們破壞裝置。

NBD：你在當前工作中遇到哪些技術上的瓶頸？

孔德峰：有很多技術瓶頸。比如芯部加料問題，現在常規的加料手段效率很低，以ITER裝置為例，每注入100個氚粒子，僅有0.3個參與核反應，其余99.7個會被抽離，經氚工廠分離提純后循環利用。但這一過程存在損耗，系統損耗的氚甚至超過實際反應消耗的量，對氚自持的循環提出了挑戰。現在我們想辦法把燃料粒子直接注入到芯部等離子體當中去，提高燃燒效率，這需要開發新的加料系統，又是一個非常復雜的挑戰。

還有材料損傷問題。聚變反應產生的高溫高密度等離子體對材料的腐蝕和損傷比較嚴重，需要開發新的運行模式，或者提高材料的耐受能力。

NBD：研發過程中有很多專利，對其他領域的科技進步有沒有幫助？

孔德峰：可控核聚變涉及很多前沿技術，這些技術可以拓展到其他應用場景。比如超導技術可以用在高分辨率核磁共振、材料檢測、蛋白質篩查、污水處理、半導體單晶提拉等領域；微波技術可以用在安檢儀、腫瘤細胞檢測等領域；等離子體技術可以用在麻醉機消毒、細胞消融等領域；聚變中子可用于同位素制藥（如锝-99m）、中子活化分析譜儀實現元素快速鑒定等。

未來圖景：聚變的終點，人類文明躍遷的起點

當可控核聚變實現大規模商業化，人類將叩開“終極能源”的大門。接近于零的用電成本，釋放的巨量電能，將重構人類社會的能源使用邏輯，引發生產和生活方式的顛覆性變革。“人造太陽”照亮地球時，那個能源免費、物質豐裕的未來，來得比我們想象得更真實。

NBD：可控核聚變商業化實現之后，我們的生活大概會是什么樣的？

孔德峰：可控核聚變最大的特點是原料成本非常低，氚雖然很貴，但它只是反應過程的中間產物，真正的原料成本——即氘和鋰的成本可以忽略不計。隨著規模化發展，建造成本也會降低，而且裝置固有安全屬性高，在安全防護方面的成本可能比現有的核電站低得多。

我們單位正在與中央美術學院等團隊合作，暢想電費降為一分錢時，未來的生活會發生哪些變化。

我個人暢想，當電費降到足夠低，社會將發生根本性的變化。比如，農業可能會完全改變形式。目前，中國科學院天津工業生物技術研究所通過電、二氧化碳和水就可以合成淀粉，如果電足夠便宜，我們是不是可以通過工廠來生產糧食，而不再需要大量的農田。

另外，環境沙漠化問題也將得到解決。沙漠化問題的根源在于淡水短缺，海水淡化的最大成本就是電費。當電費足夠低時，我們就可以通過沿海地區大規模生產淡水，再將其輸送到需要的地方。