可控核聚變產(chǎn)業(yè)化競賽鳴槍

在科幻小說《三體》中，作者劉慈欣描繪了一個(gè)因可控核聚變而改變的未來世界：城市上空漂浮著無數(shù)電力網(wǎng)絡(luò)，能源如同空氣般無處不在；人類擺脫了對化石燃料的依賴，文明在無限能量的支撐下迎來了空前的繁榮。這一圖景曾被視為遙不可及的幻想，但如今，現(xiàn)實(shí)正加速推開這扇“終極能源”的大門。

今年以來，中國科研團(tuán)隊(duì)不斷刷新可控核聚變裝置紀(jì)錄。近日，中國聚變能源有限公司（以下簡稱“中國聚變公司”）在上海正式掛牌成立。作為中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中核集團(tuán)”）直屬的二級單位，這家國家隊(duì)企業(yè)的誕生，標(biāo)志著我國在可控核聚變產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中邁出了關(guān)鍵一步。當(dāng)前，一場圍繞“終極能源”的產(chǎn)業(yè)化競賽已然鳴槍。

從科學(xué)可行性到工程可行性

核能包括裂變能和聚變能兩種主要形式。裂變能目前已在核電站實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，而聚變能則是兩個(gè)較輕的原子核聚合為一個(gè)較重的原子核并釋放出的能量。

“可控核聚變被稱作‘終極清潔能源’，其通過反應(yīng)自限性、低放廢料特性、多重工程屏障等實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全，風(fēng)險(xiǎn)水平顯著低于核裂變和化石能源。”中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院副總工程師姜震在接受記者采訪時(shí)表示，目前理論和試驗(yàn)均已證明，核聚變技術(shù)能確?！敖愫藦U料”和可控輻射。

近年來，可控核聚變研究駛?cè)氚l(fā)展快車道。今年1月份，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所研發(fā)的世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克EAST（東方超環(huán)）裝置實(shí)現(xiàn)1億攝氏度、1066秒長脈沖運(yùn)行，刷新世界紀(jì)錄；今年3月份，中核集團(tuán)旗下核工業(yè)西南物理研究院新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”（HL—3）裝置首次實(shí)現(xiàn)原子核溫度1.17億攝氏度、電子溫度1.6億攝氏度的“雙億度”突破。

“EAST、HL—3等磁約束核聚變裝置不斷突破的運(yùn)行紀(jì)錄，標(biāo)志著中國核聚變正穩(wěn)步從‘科學(xué)可行性’向‘工程可行性’邁進(jìn)。”姜震表示，我國核聚變已歷經(jīng)原理探索、裝置研究及規(guī)模實(shí)驗(yàn)階段，正逐步進(jìn)入燃燒實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)堆階段。

在政策層面，核聚變已被納入國家未來產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)布局。自2020年9月份“雙碳”目標(biāo)提出以來，國家政策對可控核聚變的支持力度進(jìn)一步加大，不僅在科研資金和研發(fā)基地建設(shè)方面給予保障，還通過專項(xiàng)政策推動(dòng)其前期研發(fā)和工程應(yīng)用。

2024年，工信部等七部門聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推動(dòng)未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》提到，聚焦核能、核聚變、氫能、生物質(zhì)能等重點(diǎn)領(lǐng)域，打造“采集—存儲(chǔ)—運(yùn)輸—應(yīng)用”全鏈條的未來能源裝備體系。

與此同時(shí)，部分地方政府也將核聚變列為前沿科技產(chǎn)業(yè)化試點(diǎn)。例如，上海將聚變能源作為前沿科技與未來產(chǎn)業(yè)培育的重點(diǎn)方向，先導(dǎo)布局高溫超導(dǎo)等關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，引育高水平創(chuàng)新主體和優(yōu)秀人才團(tuán)隊(duì)。

國家隊(duì)與民企齊發(fā)力

當(dāng)前，核聚變研究的國家隊(duì)已形成以中國科學(xué)院、中核集團(tuán)等為主導(dǎo)的多技術(shù)路線并行格局。

中國聚變公司的成立，正是科研積累與政策推動(dòng)背景下的關(guān)鍵一步。該公司作為推進(jìn)我國聚變工程化、商業(yè)化的創(chuàng)新主體，將重點(diǎn)布局總體設(shè)計(jì)、技術(shù)驗(yàn)證、數(shù)字化研發(fā)等業(yè)務(wù)，并建設(shè)技術(shù)研發(fā)平臺(tái)和資本運(yùn)作平臺(tái)。

7月22日掛牌當(dāng)天，中核集團(tuán)、中國石油集團(tuán)昆侖資本有限公司（以下簡稱“昆侖資本”）、上海未來聚變能源科技有限公司、國家綠色發(fā)展基金股份有限公司、浙江浙能電力股份有限公司及四川重科聚變能源科技有限公司等共同簽署增資擴(kuò)股協(xié)議，總投資額約114.9億元。中核集團(tuán)以現(xiàn)金和知識(shí)產(chǎn)權(quán)作價(jià)40.29億元控股，昆侖資本出資30億元持股20%，成為中國聚變公司第二大股東。

眾多能源巨頭入股中國聚變公司，無疑顯示出各方對可控核聚變發(fā)展前景的看好。廈門大學(xué)中國能源政策研究院院長林伯強(qiáng)在接受記者采訪時(shí)表示，中國聚變公司的成立對中國可控核聚變技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

“此前該領(lǐng)域主要停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，如今有了實(shí)體化運(yùn)營的公司作為支撐。”林伯強(qiáng)表示，通過整合中核集團(tuán)及多家能源企業(yè)的資源，不僅有助于實(shí)現(xiàn)技術(shù)互補(bǔ)，還能形成更雄厚的資本基礎(chǔ)，為整個(gè)核聚變產(chǎn)業(yè)鏈注入新動(dòng)能。

此次中國石油集團(tuán)（以下簡稱“中石油”）通過昆侖資本參與中國聚變公司投資，更是釋放了重要信號?！皬哪茉磻?zhàn)略角度看，中石油參與是對核聚變作為未來清潔能源重要性的認(rèn)同。核聚變一旦商業(yè)化，其產(chǎn)能規(guī)模與環(huán)境效益將非?？捎^?！绷植畯?qiáng)認(rèn)為。

除國家隊(duì)外，民營力量也在加速探索商業(yè)化路徑。陜西星環(huán)聚能科技有限公司（以下簡稱“星環(huán)聚能”）便是其中的代表，公司目標(biāo)是通過降低核聚變裝置規(guī)模和成本，加快迭代速度和商業(yè)應(yīng)用。

星環(huán)聚能創(chuàng)始人、CEO陳銳對記者表示，聚變能發(fā)展中的關(guān)鍵問題需要經(jīng)歷科學(xué)可行、工程可行、商業(yè)可行三個(gè)階段，公司目前與行業(yè)發(fā)展階段同步，處于Q值（能量輸出與輸入的比值）≥1的工程可行性驗(yàn)證階段，為后續(xù)的示范堆與商用堆建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

此外，江蘇永鼎股份有限公司（以下簡稱“永鼎股份”）、張家港廣大特材股份有限公司（以下簡稱“廣大特材”）等多家上市公司，也參與到可控核聚變產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)。

產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同推進(jìn)商業(yè)化

當(dāng)下，核聚變?nèi)栽谶M(jìn)行艱難的“系統(tǒng)集成”攻關(guān)。

姜震認(rèn)為，目前，可控核聚變商業(yè)化面臨的主要科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)，集中在材料工程突破、氚（氫的一種放射性同位素）自持與熱量傳導(dǎo)、燃燒等離子體穩(wěn)態(tài)自持運(yùn)行等領(lǐng)域，亟須開展氘氚聚變實(shí)驗(yàn)以及涉核技術(shù)的攻關(guān)驗(yàn)證。

“從具體技術(shù)方面看，瓶頸主要集中在工程執(zhí)行層面。目前全球所有的聚變公司都處于工程驗(yàn)證階段。在研發(fā)過程中，會(huì)涌現(xiàn)出許多不可預(yù)知的工程難題，需要我們逐一攻克。”陳銳舉例說，比如在材料耐高溫方面，要實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)所必需的高溫，通常需要達(dá)到1億攝氏度，是太陽核心溫度的10倍，這對所使用的材料和制造工藝都提出了極高的要求。

記者在調(diào)研時(shí)了解到，在產(chǎn)業(yè)鏈層面，國內(nèi)已在若干關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)突破。例如，永鼎股份子公司東部超導(dǎo)研發(fā)生產(chǎn)的第二代高溫超導(dǎo)帶材及超導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)品可應(yīng)用于可控核聚變設(shè)備中；廣大特材生產(chǎn)的核聚變超導(dǎo)線圈鎧甲用材料已實(shí)現(xiàn)批量化供應(yīng)。

姜震表示，國內(nèi)核聚變產(chǎn)業(yè)鏈在超導(dǎo)材料、等離子體控制、氚增殖包層等環(huán)節(jié)已具備一定基礎(chǔ)，部分能力已接近國際先進(jìn)水平，可控核聚變能量應(yīng)用端的發(fā)電技術(shù)也已開展相關(guān)工程化應(yīng)用研究。

值得一提的是，資金問題是核聚變產(chǎn)業(yè)發(fā)展繞不開的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。陳銳表示，可控核聚變產(chǎn)業(yè)是一項(xiàng)需要長期投入的研發(fā)事業(yè)，需要更多耐心資本參與，給予行業(yè)更多成長和發(fā)展的機(jī)會(huì)。

事實(shí)上，隨著可控核聚變產(chǎn)業(yè)持續(xù)取得進(jìn)展，資本對該領(lǐng)域的關(guān)注度也在提升。例如，近日，諾瓦聚變能源科技（上海）有限公司完成5億元天使輪融資，創(chuàng)下國內(nèi)民營核聚變企業(yè)單筆融資新高。

盡管距離真正的商業(yè)化發(fā)電仍需數(shù)年乃至十余年，但可控核聚變的未來圖景已逐步具象化。從實(shí)驗(yàn)堆到商業(yè)堆，這一進(jìn)程不再僅是“科幻命題”，而成為工程上可逐步量化、路徑可設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)方向。

姜震表示，我國可控核聚變預(yù)計(jì)將在2035年至2040年間實(shí)現(xiàn)發(fā)電目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)突破，數(shù)十年來“核聚變發(fā)電還需50年”的預(yù)測有望被打破，本世紀(jì)中葉可控核聚變將從“科幻想象”邁向“工程現(xiàn)實(shí)”。

在規(guī)模化建成之后，核聚變發(fā)電的成本也將具備下降空間。據(jù)姜震介紹，根據(jù)不同機(jī)構(gòu)預(yù)測，可控核聚變堆商業(yè)化初期運(yùn)行的電價(jià)估計(jì)在1元／kWh左右，隨著規(guī)?；ㄔO(shè)推進(jìn)，可能降至0.1元／kWh甚至更低。

林伯強(qiáng)認(rèn)為，要推動(dòng)聚變從“工程驗(yàn)證”走向“產(chǎn)業(yè)落地”，離不開全產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同推進(jìn)，更需加強(qiáng)國際合作。目前全球聚變項(xiàng)目眾多，但尚未形成成熟的商業(yè)模式。如果能在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，有望加快研發(fā)進(jìn)程。

姜震表示，我國核聚變正處于發(fā)展機(jī)遇期，除解決核聚變科學(xué)技術(shù)問題外，也應(yīng)重視監(jiān)管法規(guī)及政策。聚變堆作為新的涉核設(shè)施，其與裂變堆存在較大差異，需要有針對性地建立健全與聚變輻射安全風(fēng)險(xiǎn)相適應(yīng)的監(jiān)管政策，一方面提供政策支持，另一方面為聚變堆發(fā)展松綁，釋放發(fā)展活力。

從實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)突破到國家隊(duì)的產(chǎn)業(yè)化布局，再到民營力量的商業(yè)化探索，中國可控核聚變正以前所未有的加速度從幻想走向現(xiàn)實(shí)。技術(shù)攻關(guān)、工程驗(yàn)證和產(chǎn)業(yè)協(xié)同將決定其落地速度，也將影響未來能源格局的重構(gòu)。

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編輯：吳鄭思

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