每經(jīng)記者｜張寶蓮    每經(jīng)編輯｜董興生    

5月下旬，A股可控核聚變概念板塊大漲，風(fēng)頭一時(shí)無兩?？煽睾司圩?yōu)槲覀兠枥L了一個(gè)無比美好的藍(lán)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(diǎn)。

可控核聚變背后，藏著一個(gè)怎樣的人類新未來？端午節(jié)后的首個(gè)工作日，合肥綜合性國家科學(xué)研究中心能源研究院科發(fā)處處長、聚變產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究中心副主任孔德峰研究員接受了《每日經(jīng)濟(jì)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(jī)的。但在多年的研究過程中，我逐漸堅(jiān)信聚變技術(shù)是能夠深刻影響人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。一旦可控核聚變?nèi)〉贸晒?，人類社?huì)必將迎來巨大的變革。懷揣著這樣的夢(mèng)想，我希望能為這一巨變貢獻(xiàn)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(yīng)用物理專業(yè)，學(xué)習(xí)等離子體物理，繼續(xù)深造時(shí)，選擇研究可控核聚變。2007年到2013年，孔德峰在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)完成了碩博連讀。之后的9年中，孔德峰扎根中國科學(xué)院等離子體物理研究所，開展可控核聚變的技術(shù)研究；2022年，進(jìn)入合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院，繼續(xù)開展聚變?cè)O(shè)計(jì)相關(guān)工作，持續(xù)在這條充滿挑戰(zhàn)與機(jī)遇的道路上探索前行。

作為聚變堆設(shè)計(jì)粒子控制負(fù)責(zé)人，孔德峰重點(diǎn)研究芯部加料對(duì)氚自持及氚燃燒份額的影響的評(píng)估，長期從事磁約束等離子體粒子反常輸運(yùn)研究和聚變堆裝置物理設(shè)計(jì)。目前，其已在國際主要等離子體物理期刊發(fā)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(fā)表文章共計(jì)15篇。

孔德峰稱，可控核聚變旨在模仿太陽原理，在地球上創(chuàng)造持續(xù)聚變能量，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要解決高溫、高密度和能量約束時(shí)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(shí)間仍是挑戰(zhàn)。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(shí)現(xiàn)氚自持是可控核聚變商業(yè)化的關(guān)鍵一步。

他還提到，必須重視核聚變的研發(fā)，并預(yù)計(jì)一旦可控核聚變商業(yè)化大規(guī)模實(shí)現(xiàn)，人類的生產(chǎn)生活方式將被徹底顛覆。

 

以下為《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者（以下簡稱“NBD”）與孔德峰的對(duì)話實(shí)錄：

聚變反應(yīng)的核心邏輯：打造“磁籠子”，增加氘氚的碰撞次數(shù)

過去70多年，科學(xué)家們?yōu)閷?shí)現(xiàn)可控核聚變做出的所有努力，若用一句話概括，孔德峰認(rèn)為是“提高氘和氚的碰撞次數(shù)”。為了增加高溫氘氚的碰撞次數(shù)，科學(xué)家們想了個(gè)辦法，將它們約束在利用磁場(chǎng)打造的“磁籠子”里，讓帶電粒子循環(huán)跑圈，不斷創(chuàng)造碰撞機(jī)會(huì)。

利用磁場(chǎng)打造的“磁籠子” 圖片來源：BEST裝置總包單位提供

NBD：請(qǐng)介紹一下你在可控核聚變領(lǐng)域開展的主要工作？

孔德峰：可控核聚變是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，我們每一個(gè)“聚變?nèi)?rdquo;都是這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)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(wěn)定性。后來逐步轉(zhuǎn)到了芯部加料的系統(tǒng)開發(fā)，以及整個(gè)聚變反應(yīng)堆的物理設(shè)計(jì)。

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(biāo)就是解決人類能源的問題。聚變所產(chǎn)生的能源非常巨大，太陽是一個(gè)天然的聚變反應(yīng)堆，滋養(yǎng)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(fā)電，甚至農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的糧食，本質(zhì)上都是太陽能的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物。而太陽能從聚變中產(chǎn)生，掌握可控核聚變技術(shù)，對(duì)于人類未來的發(fā)展會(huì)起到非常關(guān)鍵的作用。

NBD：如何理解“可控”二字？

孔德峰：它實(shí)際上是相對(duì)于氫彈爆炸，即核武器的爆炸而言的。“曼哈頓”計(jì)劃（美國陸軍部研制原子彈計(jì)劃）主要研究原子彈（一種核裂變武器），但此后科學(xué)家很快開始探索氫彈（不可控核聚變）。氫彈爆炸會(huì)在瞬間釋放出巨大的能量，對(duì)社會(huì)和城市造成巨大的破壞。因此，許多科學(xué)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(duì)環(huán)境、生態(tài)和裝置的破壞。

NBD：實(shí)現(xiàn)可控核聚變，我們已經(jīng)達(dá)成了哪些初步目標(biāo)？

孔德峰：實(shí)現(xiàn)可控核聚變是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。一方面，我們希望核聚變反應(yīng)能夠釋放出能量，這需要滿足所謂的“聚變?nèi)朔e”條件，即需要達(dá)到更高的溫度、更高的密度以及更長的能量約束時(shí)間。這是評(píng)估聚變反應(yīng)能否實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火（即能量自持燃燒）的核心判據(jù)，也被稱為“勞遜判據(jù)”。

具體來說，要實(shí)現(xiàn)較好的能量輸出，聚變反應(yīng)的溫度需要達(dá)到約1.6億度。經(jīng)過可控核聚變領(lǐng)域70多年的發(fā)展，EAST裝置（世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置）已經(jīng)能夠?qū)⒌入x子體溫度提升到1億度，并且穩(wěn)定運(yùn)行1000多秒，中核集團(tuán)的中國環(huán)流器3號(hào)裝置也報(bào)道了電子和離子雙億度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

但僅僅提高溫度是不夠的，我們還需要同時(shí)提高等離子體的密度和能量約束時(shí)間。因此，長期以來，人類一直在努力研究如何提高這三個(gè)參數(shù)，以達(dá)到聚變點(diǎn)火的條件。這是實(shí)現(xiàn)可控核聚變面臨的核心挑戰(zhàn)之一。

NBD：針對(duì)這三個(gè)參數(shù)，我們目前重點(diǎn)在突破哪一個(gè)方向？

孔德峰：經(jīng)過早期發(fā)展，像歐洲“聯(lián)合環(huán)”，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(shí)現(xiàn)了聚變輸出功率接近輸入功率。就當(dāng)下工程技術(shù)而言，溫度已能達(dá)到，但想實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出，核心是提高密度和能量約束時(shí)間，尤其是能量約束時(shí)間。

能量約束時(shí)間是不好理解的物理量。舉例來說，假設(shè)你和我是兩個(gè)燃料粒子，你是氘，我是氚，科學(xué)家們費(fèi)大力氣把我們加熱到1.6億度，可即便正面碰撞，發(fā)生聚變反應(yīng)的概率可能僅1%或更低。若碰撞沒發(fā)生聚變反應(yīng)，你我就會(huì)朝不同方向分離，加熱消耗的能量就浪費(fèi)了。

因此，提高碰撞次數(shù)才是科學(xué)家努力追求的目標(biāo)。以托卡馬克裝置為例，它利用磁場(chǎng)打造“磁籠子”，可以理解成讓粒子循環(huán)運(yùn)動(dòng)的“跑道”。燃料粒子第一次碰面沒碰撞成功也無妨，借助磁場(chǎng)約束，粒子能在“跑道”里循環(huán)跑圈，不斷創(chuàng)造碰撞機(jī)會(huì)。每多跑一圈，就多一次碰撞可能，碰撞次數(shù)也隨之增加。

而提高能量約束時(shí)間，本質(zhì)上就是讓粒子在“跑道”里停留更久，以此提高碰撞次數(shù)。粒子停留時(shí)間越長，碰撞次數(shù)越多，總有一次能發(fā)生聚變反應(yīng)。并且，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，粒子聚在一起碰撞的次數(shù)往往越多，在“跑道”停留時(shí)間也越長。

商業(yè)化的關(guān)鍵一步：氘氚的穩(wěn)定燃燒和氚的閉環(huán)循環(huán)

今年5月1日，合肥BEST（緊湊型聚變能實(shí)驗(yàn)裝置）項(xiàng)目啟動(dòng)了工程總裝，比預(yù)計(jì)時(shí)間提前2個(gè)月，項(xiàng)目將于2027年完工，有望成為世界首個(gè)開展氘氚穩(wěn)態(tài)燃燒的實(shí)驗(yàn)裝置。此前不久，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院再次創(chuàng)下我國聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄——新一代人造太陽“中國環(huán)流三號(hào)”實(shí)現(xiàn)百萬安培億度H模，中國聚變快速挺進(jìn)燃燒實(shí)驗(yàn)。技術(shù)持續(xù)突破、政策不斷落地以及國內(nèi)招投標(biāo)加速，核聚變技術(shù)的工程化與商業(yè)化進(jìn)程正在提速。

合肥科學(xué)島BEST工程總裝現(xiàn)場(chǎng) 圖片來源：每經(jīng)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(guān)系？

孔德峰：EAST是一個(gè)等離子體物理實(shí)驗(yàn)裝置，核心是圍繞勞遜判據(jù)展開研究——如何提高溫度。EAST裝置的另一大特點(diǎn)是全超導(dǎo)，能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間的穩(wěn)定放電。BEST核心目的是進(jìn)行氘氚反應(yīng)，即實(shí)現(xiàn)Q＞1（Q=聚變輸出能量/輸入能量）的穩(wěn)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(duì)未來的聚變反應(yīng)堆來說，需要進(jìn)一步提高聚變功率，目標(biāo)是達(dá)到吉瓦（GW）級(jí)別，類似于現(xiàn)代煤電站的功率水平。

BEST之后就是CFEDR，要解決的是吉瓦級(jí)聚變功率問題和氚自持問題。氘在自然界中相對(duì)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(shí)現(xiàn)氚的增殖也是未來聚變反應(yīng)堆需要解決的一個(gè)重要問題。

NBD：氚從哪兒來？

孔德峰：現(xiàn)在的氚主要從核電站的重水反應(yīng)堆中來，每年產(chǎn)量也就數(shù)公斤，但是一個(gè)吉瓦級(jí)的聚變堆每年消耗的氚可能達(dá)到幾十公斤。從重水反應(yīng)堆中提取氚，將其放入聚變裝置中進(jìn)行反應(yīng)。氘和氚反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)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(fā)生核反應(yīng)，從而產(chǎn)生氚。再把氚重新提取出來，進(jìn)一步注入到托卡馬克裝置中，以滿足反應(yīng)中對(duì)氚的消耗，這就是氚增殖的概念。

換句話說，就是形成一個(gè)氚的閉環(huán)循環(huán)過程。理論上，這個(gè)循環(huán)是可以達(dá)到的，但畢竟還沒有在實(shí)際裝置上驗(yàn)證過。

所以，從實(shí)現(xiàn)聚變商業(yè)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(jìn)行驗(yàn)證，其核心使命是實(shí)現(xiàn)氘氚的穩(wěn)定燃燒，這是一個(gè)需要進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證的目標(biāo)。另一個(gè)核心使命是氚增殖，即實(shí)現(xiàn)氚的閉環(huán)循環(huán)，消耗多少氚就能產(chǎn)生多少氚，甚至產(chǎn)生的氚要大于消耗的氚，這是CFEDR等示范堆要驗(yàn)證的目標(biāo)。

只有完成了這兩個(gè)核心目標(biāo)，我們才能認(rèn)為初步具備了商業(yè)化的價(jià)值，進(jìn)而可以推進(jìn)到商業(yè)化聚變堆的設(shè)計(jì)和建造階段。

NBD：有分析認(rèn)為2030年是可控核聚變商業(yè)化的重要節(jié)點(diǎn)，你怎么看？

孔德峰：我感覺這個(gè)有點(diǎn)困難，可能沒有這么樂觀。BEST建成時(shí)間是2027年，做氘氚運(yùn)行可能還得兩三年的時(shí)間，有可能到2030年左右實(shí)現(xiàn)氘氚實(shí)驗(yàn)。

要實(shí)現(xiàn)可控核聚變的大規(guī)模應(yīng)用，無疑還有漫長的路要走。但這是必須做的一件事，因?yàn)檎l掌握了這項(xiàng)技術(shù)，誰就掌握了人類文明未來的發(fā)展方向。至于何時(shí)能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，不同的人可能有不同的看法。剛開始時(shí)，其成本可能會(huì)非常高，但隨著可控核聚變技術(shù)的發(fā)展、投入的增加以及規(guī)?；臄U(kuò)大，每一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步都意味著成本降低。最終，其成本有可能比其他發(fā)電方式還要低很多，這就是可控核聚變的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

聚變工程攻堅(jiān)，創(chuàng)造了“沿途下蛋”的可能

科學(xué)家耗時(shí)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(diǎn)火奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前，第一壁材料如何抵御高溫等離子體攻擊、如何穩(wěn)定聚變反應(yīng)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(chuàng)新模式，研發(fā)過程中催生的技術(shù)成果已惠及其他行業(yè)的科技進(jìn)步。

BEST裝置設(shè)計(jì)圖 圖片來源：BEST裝置宣傳片截圖

NBD：怎么理解核聚變反應(yīng)中的那些不穩(wěn)定性？

孔德峰：托卡馬克裝置中心部溫度達(dá)到一點(diǎn)幾億度，邊緣溫度只有幾千度或幾百度，這種溫度梯度會(huì)造成一種勢(shì)能，使高溫高密度的粒子容易往邊緣跑，造成不穩(wěn)定性，類似“雪崩”。而且聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能阿爾法粒子也會(huì)帶來各種不穩(wěn)定性，需要控制這些粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，防止它們破壞裝置。

NBD：你在當(dāng)前工作中遇到哪些技術(shù)上的瓶頸？

孔德峰：有很多技術(shù)瓶頸。比如芯部加料問題，現(xiàn)在常規(guī)的加料手段效率很低，以ITER裝置為例，每注入100個(gè)氚粒子，僅有0.3個(gè)參與核反應(yīng)，其余99.7個(gè)會(huì)被抽離，經(jīng)氚工廠分離提純后循環(huán)利用。但這一過程存在損耗，系統(tǒng)損耗的氚甚至超過實(shí)際反應(yīng)消耗的量，對(duì)氚自持的循環(huán)提出了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在我們想辦法把燃料粒子直接注入到芯部等離子體當(dāng)中去，提高燃燒效率，這需要開發(fā)新的加料系統(tǒng)，又是一個(gè)非常復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

還有材料損傷問題。聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫高密度等離子體對(duì)材料的腐蝕和損傷比較嚴(yán)重，需要開發(fā)新的運(yùn)行模式，或者提高材料的耐受能力。

NBD：研發(fā)過程中有很多專利，對(duì)其他領(lǐng)域的科技進(jìn)步有沒有幫助？

孔德峰：可控核聚變涉及很多前沿技術(shù)，這些技術(shù)可以拓展到其他應(yīng)用場(chǎng)景。比如超導(dǎo)技術(shù)可以用在高分辨率核磁共振、材料檢測(cè)、蛋白質(zhì)篩查、污水處理、半導(dǎo)體單晶提拉等領(lǐng)域；微波技術(shù)可以用在安檢儀、腫瘤細(xì)胞檢測(cè)等領(lǐng)域；等離子體技術(shù)可以用在麻醉機(jī)消毒、細(xì)胞消融等領(lǐng)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(shí)現(xiàn)元素快速鑒定等。

未來圖景：聚變的終點(diǎn)，人類文明躍遷的起點(diǎn)

當(dāng)可控核聚變實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)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(gòu)人類社會(huì)的能源使用邏輯，引發(fā)生產(chǎn)和生活方式的顛覆性變革。“人造太陽”照亮地球時(shí)，那個(gè)能源免費(fèi)、物質(zhì)豐裕的未來，來得比我們想象得更真實(shí)。

NBD：可控核聚變商業(yè)化實(shí)現(xiàn)之后，我們的生活大概會(huì)是什么樣的？

孔德峰：可控核聚變最大的特點(diǎn)是原料成本非常低，氚雖然很貴，但它只是反應(yīng)過程的中間產(chǎn)物，真正的原料成本——即氘和鋰的成本可以忽略不計(jì)。隨著規(guī)?；l(fā)展，建造成本也會(huì)降低，而且裝置固有安全屬性高，在安全防護(hù)方面的成本可能比現(xiàn)有的核電站低得多。

我們單位正在與中央美術(shù)學(xué)院等團(tuán)隊(duì)合作，暢想電費(fèi)降為一分錢時(shí)，未來的生活會(huì)發(fā)生哪些變化。

我個(gè)人暢想，當(dāng)電費(fèi)降到足夠低，社會(huì)將發(fā)生根本性的變化。比如，農(nóng)業(yè)可能會(huì)完全改變形式。目前，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)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(chǎn)糧食，而不再需要大量的農(nóng)田。

另外，環(huán)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(fèi)。當(dāng)電費(fèi)足夠低時(shí)，我們就可以通過沿海地區(qū)大規(guī)模生產(chǎn)淡水，再將其輸送到需要的地方。