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，风头一时无两。可控核聚变为我们描绘了一个无比(wúbǐ)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(qǐdiǎn)。

可控核聚变(jùbiàn)(héjùbiàn)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、聚变产业应用研究中心副(fù)主任孔德峰研究员接受了《每日经济新闻》记者的专访。

“我最开始(kāishǐ)选择可控核聚变这(zhè)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深刻影响人类社会(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(lìliàng)。”

过去20余年(nián)，孔德峰做(zuò)的(de)事情很纯粹。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，选择研究可控核聚变。2007年到(dào)2013年，孔德峰在中国科学(kēxué)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，持续在这条充满挑战与机遇的道路上探索前行。

作为聚变堆(duī)设计粒子控制负责人，孔德峰重点研究芯部加料对(duì)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(děnglízǐtǐ)粒子反常输运研究和聚变堆装置物理(wùlǐ)设计。目前，其已在(zài)国际主要等离子体物理期刊发表文章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(kǒngdéfēng)称，可控核聚变旨在模仿太阳原理，在地球上创造持续聚变能量，实现这一目标需要解决高温、高密度和(hé)能量约束时间等难题(nántí)。目前，人类已能将等离子体温度提高到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(zìránjiè)中含量极少，且提取(tíqǔ)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(yùjì)一旦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。

以下为《每日经济(jīngjì)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(dāo)氚的碰撞次数

过去70多年，科学家(kēxuéjiā)们(men)为实现(shíxiàn)可控核聚变做出的所有努力，若用一句话概括，孔德峰认为是“提高氘和氚的碰撞次数”。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(pǎo)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(zǒngbāo)单位提供

NBD：请介绍一下你在(zài)可控核聚变领域开展的主要工作？

孔德峰：可控核聚变是一个非常复杂(fēichángfùzá)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。我从研究(yánjiū)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(le)芯部加料的系统开发，以及整个聚变反应堆的物理设计。

NBD：自诞生起，可控核聚变要解决的是什么(shénme)问题？

孔德峰(kǒngdéfēng)：可控核聚变最重要的(de)目标就是解决人类能源的问题。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(dìqiú)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(fādiàn)，甚至农业(nóngyè)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(qīngdàn)爆炸，即核武器(héwǔqì)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（一种核裂变武器），但此后科学家很快开始探索(tànsuǒ)氢弹（不可控核聚变）。氢弹爆炸会在(zài)瞬间释放出巨大的能量，对社会和城市造成巨大的破坏(pòhuài)。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释放，从而避免(bìmiǎn)对环境、生态和装置的破坏。

NBD：实现可控核聚变(héjùbiàn)，我们已经达成了哪些初步目标？

孔德峰：实现可控(kěkòng)核聚变(héjùbiàn)是一项极具挑战性的任务。一方面，我们希望核聚变反应能够释放(shìfàng)出能量(néngliàng)，这需要满足所谓的“聚变三乘积”条件，即需要达到更高的温度、更高的密度以及更长的能量约束时间。这是(zhèshì)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(yào)实现较(jiào)好的能量输出，聚变反应的温度需要达到约1.6亿度。经过(jīngguò)可控核聚变领域70多年的发展，EAST装置（世界(shìjiè)首个全超导(chāodǎo)托卡马克装置）已经能够将等离子体温度提升到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和离子双亿度的实验结果。

但仅仅提高温度是不够(bùgòu)的，我们还需要(xūyào)同时提高等离子体的密度和能量约束时间。因此，长期以来(chángqīyǐlái)，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(tiǎozhàn)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(jīngguò)早期发展，像欧洲“联合环”，还有美国的(de)(de)TFTR装置等，已摸索出在托卡马克(tuōkǎmǎkè)装置上提高温度的方法，并且实现了聚变输出功率接近输入功率。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(mìdù)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(jiǎshè)你和我(wǒ)是两个燃料粒子，你是氘，我是氚，科学家们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(jùbiànfǎnyìng)的概率可能仅1%或更低(dī)。若碰撞没发生聚变反应，你我就(jiù)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，它利用磁场(cíchǎng)打造“磁笼子”，可以理解成让粒子循环运动(yùndòng)的“跑道(pǎodào)”。燃料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“跑道”里循环跑圈，不断创造碰撞机会。每多跑一圈(yīquān)，就多一次碰撞可能(kěnéng)，碰撞次数也随之增加。

而提高能量(néngliàng)约束时间，本质上就是让粒子(lìzi)在(zài)“跑道”里(lǐ)停留更久，以此提高碰撞次数。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，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。

商业化的关键一步：氘氚的稳定燃烧和氚的闭环(bìhuán)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(zǒngzhuāng)，比预计(yùjì)时间提前2个月，项目将于2027年完工，有望(yǒuwàng)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(sānhào)”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、政策(zhèngcè)不断落地以及(yǐjí)国内招投标加速，核聚变技术的工程化与商业化进程(jìnchéng)正在提速。

合肥科学岛BEST工程总装现场(xiànchǎng) 图片来源：每经(měijīng)记者 张宝莲 摄

NBD：怎么理解EAST、BEST、CFEDR（中国聚变工程(gōngchéng)示范堆(duī)）之间的关系？

孔德峰：EAST是一个等离子体物理实验(shíyàn)装置，核心是围绕劳逊判据展开研究——如何提高温度。EAST装置的另一大特点是全超导，能够实现长时间的稳定放电。BEST核心目的是进行氘(dāo)氚反应，即实现Q＞1（Q=聚变输出能量(néngliàng)/输入能量）的稳定功率输出。BEST目前聚变功率仅为50兆瓦(zhàowǎ)到200兆瓦的水平。对(duì)未来的聚变反应堆(fǎnyìngduī)来说，需要进一步提高聚变功率，目标(mùbiāo)是达到吉瓦（GW）级别，类似于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功率问题和氚自持问题。氘在自然界中相对丰富，如(rú)海水中就含有氘，但(dàn)氚在自然界中含量极少。因此(yīncǐ)，如何(rúhé)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：氚从哪儿来(lái)？

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，但是一个吉瓦级(jíwǎjí)的聚变堆每年消耗的氚可能达到(dào)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(chǎnshēng)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，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过程(guòchéng)。理论上，这个循环是可以达到的，但(dàn)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(héxīn)使命是实现氘(dāo)氚(chuān)的稳定(wěndìng)燃烧，这是一个需要进行系统验证的目标。另(lìng)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。

只有完成了这两个核心目标，我们才能认为初步具备了商业化的(de)价值，进而可以推进到商业化聚变堆的设计和建造(jiànzào)阶段。

NBD：有分析认为2030年(nián)是可控核聚变商业化的(de)重要节点，你怎么看？

孔德峰：我感觉这个有点困难，可能没有这么乐观。BEST建成(jiànchéng)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(shíxiàn)氘氚实验。

要实现(shíxiàn)可控核聚变的(de)大规模应用，无疑还有漫长的路(lù)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(rén)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，每一项技术进步都意味着成本降低(dī)。最终，其成本有可能比其他发电方式还要(háiyào)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“沿途下蛋”的可能(kěnéng)

科学家耗时70多年，将等离子体温度从百万度提升至亿度(yìdù)，为可控核聚变点火奠定了基础。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(zhōng)的(de)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(bǐngchízhe)“沿途下蛋”的创新模式，研发(yánfā)过程中催生的技术成果已惠及其他行业的科技进步。

BEST装置设计图 图片来源：BEST装置宣传片(xuānchuánpiàn)截图

NBD：怎么理解核聚变反应中的(de)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(zhèzhǒng)温度梯度会造成一种势能，使高温高密度的(de)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会带来各种不稳定性，需要控制这些粒子的运动(yùndòng)轨迹，防止它们破坏装置。

NBD：你在当前工作中(zhōng)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，现在常规的加料手段效率很低，以ITER装置为例，每注入100个(gè)氚粒子，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(lìyòng)。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(duì)氚自持的循环提出了挑战。现在我们想办法(bànfǎ)把(bǎ)燃料粒子直接注入到(dào)芯部等离子体(děnglízǐtǐ)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(sǔnshāng)问题。聚变反应产生的(de)高温高密度等离子体对材料的腐蚀和损伤比较严重，需要开发新的运行模式，或者提高材料的耐受(nàishòu)能力。

NBD：研发过程中有(zhōngyǒu)很多专利，对其他领域(lǐngyù)的科技进步有没有帮助？

孔德峰：可控核聚变涉及很多(hěnduō)前沿技术，这些(zhèxiē)技术可以拓展到其他应用场景。比如超导技术可以用在(zài)高分辨率核磁共振、材料检测、蛋白质(dànbáizhì)筛查、污水处理(wūshuǐchǔlǐ)、半导体单晶提拉等领域；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(huóhuàfēnxī)谱仪实现元素快速鉴定等。

未来图景：聚变的终点，人类文明跃迁(yuèqiān)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”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(biàngé)。“人造太阳”照亮地球(dìqiú)时，那个能源免费、物质丰裕的未来，来得比我们(wǒmen)想象得更真实。

NBD：可控核聚变商业化实现之后(zhīhòu)，我们的生活(shēnghuó)大概会是什么样的？

孔德峰：可控核聚变最大(zuìdà)的特点是原料成本非常低(fēichángdī)，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——即氘和锂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(fāngmiàn)的成本可能比现有(xiànyǒu)的核电站低得多。

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时，未来的生活(shēnghuó)会发生哪些变化(biànhuà)。

我个人畅想，当电费降到足够低，社会将发生根本性的(de)变化。比如，农业可能会完全改变形式(xíngshì)。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，我们是不是可以通过工厂来生产粮食(liángshí)，而不再需要大量(dàliàng)的农田。

另外，环境沙漠化(shāmòhuà)问题也将得到解决。沙漠化问题的根源在于淡水短缺，海水淡化的最大成本就是电费。当电费足够低时，我们就可以(kěyǐ)通过沿海地区(yánhǎidìqū)大规模生产淡水，再将其输送到需要的地方。