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股可控核聚变概念板块大涨，风头一时无两。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(huòqǔ)的能源，将(jiāng)让人类文明再度来到(láidào)新的起点。

可控(kěkòng)核聚变背后，藏着一个怎样的人类新未来？端午节后的首个工作日，合肥综合性国家科学研究中心能源(néngyuán)研究院科发处处长、聚变产业(chǎnyè)应用研究中心副主任孔德峰研究员(yánjiūyuán)接受了《每日经济新闻》记者的专访。

“我最开始选择可控核聚变(héjùbiàn)这一研究方向，完全是随机的。但在多年的研究过程中，我逐渐坚信聚变技术是能够(nénggòu)深刻影响人类社会发展的关键技术。一旦可控核聚变取得成功，人类社会必将(bìjiāng)迎来巨大的变革。怀揣着这样的梦想，我希望能为这一巨变(jùbiàn)贡献自己的力量。”

过去20余年，孔德峰做的事情很(hěn)纯粹。本科阶段，他选择了(le)应用物理(wùlǐ)专业，学习等离子体物理，继续深造时，选择研究(yánjiū)可控核聚变。2007年到2013年，孔德峰在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，开展(kāizhǎn)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，继续开展聚变设计相关工作(gōngzuò)，持续在这条充满挑战与机遇的道路上探索(tànsuǒ)前行。

作为聚变堆设计粒子控制负责人，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，长期从事磁约束等离子体粒子反常输运研究和聚变堆装置物理(wùlǐ)设计。目前(mùqián)，其(qí)已在国际主要等离子体物理期刊(qīkān)发表文章(fābiǎowénzhāng)30余篇，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(héjùbiàn)旨在模仿太阳原理，在地球上创造持续聚变能量(néngliàng)，实现这一目标(mùbiāo)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(tígāo)到1.6亿度，但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，且提取成本昂贵。实现氚自持是可控核聚变商业化的关键一步。

他还提到，必须重视核聚变(héjùbiàn)的研发，并预计一旦可控核聚变商业化大规模实现，人类的生产生活(shēnghuó)方式将被彻底颠覆。

以下为《每日经济新闻》记者(jìzhě)（以下简称“NBD”）与孔德峰的对话实录(shílù)：

聚变反应的核心逻辑：打造“磁笼子(lóngzi)”，增加氘氚的碰撞次数

过去70多年，科学家们(men)为实现可控核聚变做出的所有努力，若用一句话概括，孔德峰(kǒngdéfēng)认为是“提高氘和氚的碰撞(pèngzhuàng)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(lìyòng)磁场打造的“磁笼子”里，让带电粒子循环跑圈，不断创造碰撞机会。

利用磁场打造的“磁笼子” 图片来源：BEST装置总包单位提供(tígōng)

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(kǒngdéfēng)：可控核聚变(jùbiàn)是一个非常复杂的系统，我们每一个“聚变人”都是这个复杂系统中的螺丝钉。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(zhěnggè)聚变反应堆的物理设计(shèjì)。

NBD：自诞生起(qǐ)，可控核聚变要解决的是什么问题？

孔德峰：可控核聚变(jùbiàn)最重要的(de)目标就是解决人类(rénlèi)(rénlèi)能源(néngyuán)的问题。聚变所产生(chǎnshēng)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的作用。

NBD：如何理解“可控”二字(èrzì)？

孔德峰：它实际上是相对于氢弹爆炸，即核武器的爆炸而言的。“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(yīzhǒng)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(jùdà)的能量(néngliàng)，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(dì)释放出来，而不是在一瞬间(yīshùnjiān)全部释放，从而避免对环境、生态和装置的破坏。

NBD：实现可控核聚变，我们已经(yǐjīng)达成了哪些初步目标？

孔德峰：实现可控核聚变是一项极具挑战性的(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(xūyào)满足所谓的“聚变三乘积”条件(tiáojiàn)，即需要达到(dádào)更高的温度、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(pànjù)，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(wēndù)需要达到约(yuē)1.6亿度。经过可控核聚变领域70多年的发展，EAST装置（世界首个全超导托卡马克装置）已经(yǐjīng)能够将等离子体温度提升到1亿度，并且稳定运行1000多秒(miǎo)，中核集团的中国环流器3号装置也报道(bàodào)了电子和离子双亿度的实验结果。

但仅仅提高温度是不够的(de)，我们还需要同时提高等离子体(děnglízǐtǐ)的密度和能量(néngliàng)约束时间。因此，长期以来，人类一直在努力研究如何(rúhé)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。

NBD：针对这三个参数，我们目前重点在突破哪(nǎ)一个方向？

孔德峰：经过早期发展，像(xiàng)欧洲“联合环”，还有美国的TFTR装置等，已摸索出(chū)在托卡马克装置上提高温度的方法，并且实现了聚变输出(shūchū)功率接近输入(shūrù)功率。就当下工程技术而言，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(hé)能量约束时间，尤其是能量约束时间。

能量约束时间是(shì)不好理解的(de)物理量。举例来说，假设你和我是两个燃料粒子，你是氘，我是氚，科学家们(men)费大力气把我们加热到1.6亿度，可即便正面碰撞，发生聚变反应的概率(gàilǜ)可能仅1%或更低。若碰撞没(méi)发生聚变反应，你我就会朝不同方向分离，加热消耗的能量就浪费了。

因此，提高碰撞次数才是科学家努力追求的目标。以托卡马克装置为例，它利用磁(cí)场打造“磁笼子”，可以理解成让粒子循环运动(yùndòng)的“跑道”。燃料粒子第一次(dìyīcì)碰面没碰撞成功也无妨，借助磁场约束，粒子能在“跑道”里循环跑圈，不断创造碰撞机会。每多跑一圈，就(jiù)多一次碰撞可能，碰撞次数也随之增加(zēngjiā)。

而提高(tígāo)能(néng)量约束时间，本质上就是让粒子在(zài)“跑道”里停留更久，以此提高碰撞次数。粒子停留时间越(yuè)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，粒子聚在一起碰撞的次数往往越多，在“跑道”停留时间也越长。

商业化的(de)关键一步：氘氚的稳定燃烧和氚的闭环循环

今年5月1日，合肥BEST（紧凑型聚变能实验装置）项目启动了工程总装，比预计时间(shíjiān)提前2个(gè)月，项目将于2027年完工，有望成为世界首个开展氘氚稳态燃烧的实验装置。此前不久，中核集团核工业西南物理研究院再次(zàicì)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(mó)，中国聚变快速挺进燃烧实验。技术持续突破、政策不断(bùduàn)落地以及国内招投标加速，核聚变技术的工程化(gōngchénghuà)与商业化进程正在提速(tísù)。

合肥科学(kēxué)岛BEST工程总装现场 图片来源(láiyuán)：每经记者 张宝莲 摄

NBD：怎么理解EAST、BEST、CFEDR（中国(zhōngguó)聚变工程示范(shìfàn)堆）之间的关系？

孔德峰：EAST是(shì)一个等离子体物理实验装置，核心是围绕劳逊判据展开研究(yánjiū)——如何提高温度。EAST装置的另一大特点是全超导，能够实现长时间(zhǎngshíjiān)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(shūchū)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(xūyào)进一步提高聚变功率，目标是达到吉瓦（GW）级别，类似于现代煤电(méidiàn)站的功率水平。

BEST之后就(jiù)是CFEDR，要解决的(de)是吉瓦级聚变功率问题和(hé)氚自持问题。氘在自然界中相对丰富，如海水中就含有氘，但氚在自然界中含量极少。因此，如何实现氚的增殖(zēngzhí)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(de)氚主要从核电站的重水反应(fǎnyìng)堆中来，每年产量也就数公斤(gōngjīn)，但是一个吉瓦级的聚变(jùbiàn)堆每年消耗的氚可能达到几十公斤。从重水反应堆中提取氚，将其放入聚变装置中进行反应。氘和氚反应后会产生中子，氚被消耗了。有人提出能否重新将这(zhè)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(chūlái)，进一步注入到托卡马克装置中，以满足反应中对氚的消耗，这就是氚增殖的概念。

换句话说，就是形成一个氚的闭环循环(xúnhuán)过程。理论上，这个循环是可以达到(dádào)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(jiùshì)通过BEST装置(zhuāngzhì)进行验证，其核心使命是实现氘氚的稳定燃烧，这是一个(yígè)需要进行系统验证的目标(mùbiāo)。另一个核心使命是氚增殖，即实现氚的闭环循环，消耗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等示范堆要验证的目标。

只有完成(wánchéng)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，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年是可控(kěkòng)核聚变商业化的重要节点，你(nǐ)怎么看？

孔德峰：我感觉这个有点困难，可能(kěnéng)没有(méiyǒu)这么乐观(lèguān)。BEST建成时间是2027年，做氘氚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(kěkòng)核聚变的(de)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，因为谁掌握了这项技术，谁就掌握了人类文明未来的发展方向。至于何时能实现商业化，不同(bùtóng)的人可能有不同的看法(kànfǎ)。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、投入的增加以及规模化的扩大，每一项技术进步都(dōu)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，创造了“沿途(yántú)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，为可控核聚变点火奠定了(le)基础(jīchǔ)。当前，第一壁材料如何抵御高温等离子体攻击、如何稳定聚变反应中的高能粒子，以及如何提升芯部加料效率等难题，仍有待攻克(gōngkè)。尽管前路漫漫，但秉持着“沿途下蛋”的创新模式(móshì)，研发过程中催生的技术成果已(yǐ)惠及其他行业的科技进步。

BEST装置设计图 图片(túpiàn)来源：BEST装置宣传片截图

NBD：怎么理解核聚变反应中的那些不稳定性(bùwěndìngxìng)？

孔德峰：托卡马克装置中心部温度达到一点几亿度，边缘温度只有几千度或(huò)几百度，这种温度梯度会造成(zàochéng)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(gāonéng)阿尔法粒子也(yě)会带来各种不稳定性，需要控制这些粒子的运动轨迹，防止(fángzhǐ)它们破坏装置。

NBD：你在当前工作(dāngqiángōngzuò)中遇到哪些技术上的瓶颈？

孔德峰：有很多技术瓶颈。比如芯部加料问题，现在(xiànzài)常规的加料手段效率(xiàolǜ)很低，以ITER装置为例，每注入(zhùrù)100个氚(chuān)(chuān)粒子，仅(jǐn)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(xúnhuán)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。

还有材料损伤问题。聚变反应(jùbiànfǎnyìng)产生的高温高密度等离子体(děnglízǐtǐ)对材料的腐蚀和损伤比较严重，需要(xūyào)开发新的运行模式，或者提高材料的耐受能力。

NBD：研发(yánfā)过程中有很多(hěnduō)专利，对其他领域的科技进步有没有帮助？

孔德峰：可控核聚变涉及(shèjí)很多前沿技术，这些技术可以(kěyǐ)拓展到其他应用场景(chǎngjǐng)。比如超导技术可以用在高分辨率核磁共振、材料检测、蛋白质筛查、污水处理、半导体单晶提拉等领域；微波(wēibō)技术可以用在安检仪、肿瘤细胞(xìbāo)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(zhōngzi)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：聚变的终点，人类文明(rénlèiwénmíng)跃迁的起点

当可控核聚变实现(shíxiàn)大规模商业化，人类将叩开“终极能源(néngyuán)”的(de)大门(dàmén)。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，来得比我们想象得更真实。

NBD：可控核聚变商业化实现之后，我们(wǒmen)的(de)生活大概会是什么样的？

孔德峰：可控核聚变最大的特点是原料成本(chéngběn)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——即氘(dāo)和锂(lǐ)的成本可以忽略不计。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(duō)。

我们单位正在与中央美术学院等团队合作，畅想电费降为一分钱(yīfēnqián)时，未来(wèilái)的生活会发生哪些变化。

我(wǒ)个人畅想，当电(diàn)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(kěyǐ)合成淀粉，如果电足够便宜，我们是不是可以通过工厂来生产粮食，而不再需要大量的农田(nóngtián)。

另外，环境沙漠化(shāmòhuà)问题(wèntí)也将得到解决。沙漠化问题的根源在于淡水短缺，海水淡化的最大成本(chéngběn)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。