可控核聚變商業(yè)化有多遠

我國啟動實施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領域為未來能源的惟一方向。

文 ‖ 程鵬鑫

近期，傳統(tǒng)油氣公司加速布局可控核聚變領域，引發(fā)了廣泛關注。殼牌、雪佛龍、埃尼等行業(yè)巨頭都已開展戰(zhàn)略投資，特別是中國石油通過增資參股聚變新能公司和中國聚變公司，加強在可控核聚變領域的雙線布局，通過培育“第三增長曲線”推動新質生產(chǎn)力發(fā)展，支撐未來利用豐富的氘資源實現(xiàn)近于無限的能源供給。這不僅反映了能源行業(yè)轉型的迫切需求，也凸顯了核聚變技術在未來能源結構中的重要潛力。那么，全球核聚變研發(fā)的現(xiàn)狀與進展怎樣？商業(yè)化還有多遠？

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全球研發(fā)呈現(xiàn)四大突破性特征

蒸汽時代以來，人類從未停止對更高效、更清潔能源的探索。可控核聚變，被譽為能源領域的“終極解決方案”。它模擬太陽的能量產(chǎn)生機制，通過輕原子核聚變反應釋放巨大能量。

可控核聚變研究可分為6個階段——原理探索、規(guī)模實驗、燃燒實驗、實驗堆、示范堆及商用堆。當前，可控核聚變研究正處于從科學研究向工程實踐轉化的關鍵轉折點，呈現(xiàn)出四個顯著特征。

裝置建設加速，技術突破頻傳。根據(jù)國際原子能機構近期發(fā)布的《2025年世界聚變展望報告》，全球近40個國家推進聚變計劃，處于運行、在建、及規(guī)劃的聚變裝置分別達101座、18座、53座，合計172座，較2024年增加13座。美國國家點火裝置（NIF）復現(xiàn)多次能量增益實驗，今年4月成功開展第8次聚變點火實驗并產(chǎn)生8.6兆焦耳的能量，首次實現(xiàn)能量增益Q大于4。我國“東方超環(huán)”（EAST）于今年1月實現(xiàn)了上億攝氏度高溫下高約束模等離子體運行1066秒，創(chuàng)造高約束模運行新紀錄。“中國環(huán)流三號”于今年3月首次實現(xiàn)原子核溫度、電子溫度的“雙億度”紀錄，標志著研究正式進入燃燒實驗階段，向工程化應用邁出重要一步，并于今年6月實現(xiàn)百萬安培億度H模，創(chuàng)下我國聚變裝置運行新紀錄。

多國戰(zhàn)略密集出臺，頂層設計完善。美英德日等國家均出臺了國家級聚變能戰(zhàn)略，美國發(fā)布《2024年聚變能戰(zhàn)略》與《聚變科學技術路線圖》，計劃2030年代中期將商業(yè)化規(guī)模的聚變電力接入電網(wǎng)；日本提出力爭30年代實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電；英國計劃2040年前實現(xiàn)聚變發(fā)電；德國計劃2040年前建成聚變示范電站；我國將聚變堆作為核能發(fā)展“三步走”戰(zhàn)略的重要組成，國務院國資委啟動實施未來產(chǎn)業(yè)啟航行動，明確可控核聚變領域為未來能源的惟一方向，今年9月審議通過的《原子能法》提出“國家鼓勵和支持受控熱核聚變的科學研究和技術開發(fā)”。

民間資本涌入，私營公司崛起。2025年，聚變領域私有資本投資占比達33%，累計總額超100億美元。美國CFS公司開建世界首座商用核聚變發(fā)電廠，中國星環(huán)聚能、能量奇點等創(chuàng)新企業(yè)快速成長。

跨界融合成為新常態(tài)。殼牌、雪佛龍等油氣巨頭積極投資核聚變初創(chuàng)企業(yè)，微軟、谷歌等科技公司也紛紛布局。2023年12月，由中核集團牽頭的可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體成立，成員超40家，覆蓋從基礎研究、裝置建造到產(chǎn)業(yè)應用的完整鏈條，實現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈貫通。

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商業(yè)化仍面臨重大挑戰(zhàn)

目前，核聚變面向產(chǎn)業(yè)需求的長遠發(fā)展規(guī)劃、關鍵技術環(huán)節(jié)的實驗支撐平臺、相關技術成果的廣泛應用轉化、全面精準的扶持政策和保障機制等仍不健全，可控核聚變商業(yè)化面臨技術、材料、工程層面的諸多挑戰(zhàn)，從科學層面可行到工程和商業(yè)層面落地任重道遠。

一是燃燒等離子體穩(wěn)態(tài)自持運行方面的挑戰(zhàn)。目前，對燃燒等離子體科學認知仍比較欠缺，對高聚變增益穩(wěn)態(tài)自持燃燒等離子體研究仍停留在理論階段，上億度氘氚燃料等離子體穩(wěn)態(tài)自持燃燒的運行與控制技術仍需研究。

二是耐高能中子轟擊及高熱負荷材料的挑戰(zhàn)。聚變堆部件的運行環(huán)境極為苛刻，在等離子體周邊的材料要承受中子輻照、粒子轟擊、熱流等組成的復雜載荷，目前所能進行的試驗能量強度為1~3兆電子伏（MeV），較所需強度仍有較大差距。

三是氚增殖與自持循環(huán)的挑戰(zhàn)。單座1吉瓦聚變電站每年耗氚可達數(shù)十千克甚至上百千克，聚變堆要實現(xiàn)商業(yè)應用，必須實現(xiàn)氚自持，即利用聚變放出的高能中子與鋰-6反應在堆內實現(xiàn)氚增殖，需要建立氚大規(guī)模循環(huán)工藝體系，研究聚變堆氚燃料自給自足的大規(guī)模高效增殖、在線處理和安全等技術。

四是實現(xiàn)能量增益的挑戰(zhàn)。能量增益因子Q是判斷聚變成功的關鍵指標，據(jù)研究，要實現(xiàn)商業(yè)價值的發(fā)電，Q值需達到10以上才有商用意義。目前，磁約束聚變最高Q值仍低于1，對于激光慣性約束聚變，電—光環(huán)節(jié)能量轉化效率低，考慮整個系統(tǒng)的能量消耗，實際Q不足1%，仍需要提高聚變三重積，產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。

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人工智能與聚變能雙向賦能

人工智能技術與聚變深度融合產(chǎn)生雙向促進的作用。

一方面，人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了巨量算力的需求，算力的提升對電能需求也進一步加大。“AI的盡頭是算力，算力的盡頭是電力”，反映了當前科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要趨勢，聚變能契合算力行業(yè)對高密度、零污染、可持續(xù)能源的迫切需求，受到科技公司的青睞，谷歌、微軟、亞馬遜等多家公司開展投資，有力驅動聚變研究發(fā)展。

另一方面，人工智能技術在非線性數(shù)據(jù)處理、模式識別和預測分析等方面具有優(yōu)勢，已經(jīng)應用于等離子體運行監(jiān)測（破裂預測）、控制及不穩(wěn)定性預測等研究中。我國《關于推進“人工智能+”能源高質量發(fā)展的實施意見》提出推動可控核聚變智能控制，加快“人工智能+核電”應用場景賦能。“中國環(huán)流三號”利用人工智能優(yōu)化等離子體控制策略，2024年實驗中首次投入使用數(shù)字孿生系統(tǒng)，西南物理研究院打造針對磁約束核聚變診斷數(shù)據(jù)統(tǒng)一表征與生成式補全的專業(yè)大模型“曦元大模型”。目前，人工智能應用還處于起步階段，在提升等離子體控制精度與穩(wěn)定性、加速裝置設計與優(yōu)化、驅動先進材料研發(fā)突破、優(yōu)化實驗數(shù)據(jù)分析與數(shù)字孿生等方面具有很大的發(fā)展空間和潛力。

對于傳統(tǒng)能源企業(yè)而言，布局核聚變既是未雨綢繆的戰(zhàn)略選擇，更是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。雖然商業(yè)化道路依然漫長，但隨著技術突破、資本投入和政策支持的持續(xù)加強，可控核聚變正從遙不可及的夢想逐漸走向現(xiàn)實。

作者系中國石油規(guī)劃總院戰(zhàn)略所高級工程師