对话段旭如委员：可控核聚变渐行渐近，何种路线商用进程更快？

电影《流浪地球2》里，多处与核聚变相关的情节设定掀起全网热议。现实中，被喻为“人类能源圣杯”的可控核聚变研究捷报频传，但仍处于奔向规模化商用的漫长征途。
要在地球上复制恒星内部反应以获得几乎无限的清洁、安全和廉价聚变能，各国有不同的时间表。但基本共识是，可望在2050年前建成并运行能够发电的DEMO型反应堆（示范堆）。作为我国核能发展“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略的最后一步，推进可控核聚变等低碳前沿技术攻关被写入《中共中央 国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》。
2022年10月，中国可控核聚变研究再传佳绩。我国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置——中国新一代“人造太阳”（HL-2M）等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了我国可控核聚变装置运行新纪录。HL-2M的下一个重大节点目标是什么？去年以来国际核聚变研发屡获突破，是否意味着聚变能发电已触手可及？不同技术路线之间，哪种装置的商业进程更快？一批核聚变初创企业的涌现，又将对商用发电起到哪些作用？
针对上述热点问题，澎湃新闻近日专访了全国政协委员、中核集团核聚变领域首席专家段旭如。段旭如同时担任国际热核聚变实验堆（ITER）计划科技咨询委员会副主席，该计划在建世界上最大的“人造太阳”，中国是合作承担ITER计划的七方成员之一。
“人造太阳” 里程碑节点的下一步
在太阳核心，极端温度和巨大引力所产生的压力为核聚变反应创造了理想条件。然而，在没有恒星极端引力的情况下，通过核聚变反应堆在地球上重现这种情况会带来诸多技术和工程挑战。其中最大的挑战是将等离子体中的离子温度保持在1亿摄氏度以上，将等离子体约束在一个磁场中并保持足够长的时间，以便发生反应并产生能量。
截至目前，实现并长时间维持核聚变反应仍是重大挑战。唯有开发出一种稳定可靠的核聚变发电方式，才能使之成为商业可行的能源。
中国的磁约束核聚变研究历史，可追溯至上世纪五六十年代。2020年12月建成并实现首次放电的HL-2M装置，表明我国掌握和拥有了大型托卡马克装置的设计、建造、运行经验和技术，具备了开展堆芯级等离子体物理实验的硬件平台，为我国核聚变研究的发展提供更广阔的空间。

中国新一代“人造太阳”（HL-2M）装置

“HL-2M是当前国内规模最大，参数能力最高的磁约束核聚变实验装置，是我国深度参与国际热核聚变实验堆（ITER）计划的重要研究平台。”段旭如对澎湃新闻表示，去年HL-2M等离子体电流突破100万安培，是我国聚变能研发的一个重要里程碑，标志着我国核聚变研发向聚变点火迈进重要一步。
据悉，等离子体电流强度是托卡马克核聚变装置运行的核心参数，等离子体电流达到100万安培将获得更高的“聚变三乘积”这一综合参数，未来托卡马克聚变堆必须在兆安以上电流下稳定运行。
据段旭如介绍，面向我国聚变大装置高参数运行研究的迫切需求，更好地支撑和衔接ITER实验，将加快释放HL-2M装置能力，充分发挥装置特点和优势，冲击更高等离子体运行参数，逐步将离子温度及聚变装置核心综合参数——“聚变三乘积”提升至堆芯级水平，同时开展与聚变堆相关的偏滤器高热负荷解决方案测试验证。
“围绕上述目标，我们的科研团队正在高参数等离子体控制、大功率辅助加热系统研制、高约束等离子体物理诊断与模拟等方面开展攻关工作。”他向澎湃新闻说道。
国际核聚变“竞速”格局如何，哪种路线更胜一筹？
2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置实现了聚变输出能量大于激光输入能量，聚变反应的能量增益（Q）大于1。有别于更为主流的托卡马克装置，该装置是惯性约束聚变装置，利用激光作为驱动源。于是引发网友热议：是否意味着核聚变研发轨迹被改写，或是提速商运进程？
这则刷屏新闻背后，当前全球核聚变研发领域呈现怎样的“竞速”格局？磁约束和惯性约束，究竟哪种技术路线更接近于商用聚变发电的终极目标，业界存有哪些共识和分歧？
“在世界范围内，可控核聚变正进入发展的关键时期。”段旭如介绍说，近期，美国国家点火装置NIF首次实现了聚变输出能量大于输入能量，欧洲联合环JET创造了59兆焦耳聚变能量输出的世界纪录。ITER计划启动后，全球聚变界集中力量攻克聚变堆相关的工程技术，目前该计划已进入主机工程装配阶段，预计在几年后投入运行，国际上首座电站规模的聚变堆即将成为现实。
他对澎湃新闻进一步分析道，为占据未来核聚变能开发应用主动权，在本世纪中叶实现聚变能源应用，近年来，世界各国在核聚变研究领域“竞速”日益加剧，聚变堆核工程与技术已成为国际聚变能研发的新赛道。
具体而言，在我国政府大力支持和科研人员的努力下，我国核聚变技术研究已从跟跑大步跨越到并跑，部分技术甚至实现领跑。2008年以来，我国陆续承担了ITER国际合作计划18个关键部件研制项目的制造任务，贡献比例约占9％，其中70％以上以实物贡献方式（即研发制造ITER装置部件），涵盖了ITER装置的关键部件，由上百家科研院所、企业承担。通过多年探索与攻关，我国在一些聚变堆关键技术与关键材料等方面已经拥有国际先进的研发或生产能力，在服务ITER计划的同时，也带动了这些领域及相关行业的技术升级。
与此同时，欧洲联合环2021年氘氚实验旨在验证氘氚聚变运行控制、第一壁材料和氚处理等关键技术。美国已在积极筹划聚变核科学设施，通过该设施开展装置运行高中子辐照环境下的聚变堆材料部件的性能综合考核。欧盟和日本也计划建造聚变材料辐照设施，弥补聚变示范堆材料辐照考核数据的不足。
面对同样的挑战，业界探索出不同的解决方案。
段旭如对澎湃新闻表示，地球上实现可控核聚变的途径主要为惯性约束和磁约束。惯性约束核聚变研究主要是通过激光或离子束等驱动靶丸形成等离子体，利用等离子体粒子自身惯性，通过内爆被压缩到高温、高密度状态发生核聚变反应。其中进展较大的是激光驱动的核聚变路线。磁约束核聚变研究始于上世纪五十年代，其通过磁场来约束处于极高温下的聚变燃料，将足够多的燃料在极端高温条件下约束足够长时间，由此实现核聚变反应，产生聚变能。半个世纪以来，国际上探索了箍缩、磁镜、仿星器、球马克、托卡马克等众多磁约束核聚变路线。
“当前业界认为，磁约束核聚变技术路线更接近于实现商用聚变发电的终极目标。惯性核聚变方式在技术层面上仍需克服一系列挑战，尤其是激光驱动器相关技术，如需提升电能向激光能量的转换效率，发展高重频激光驱动器等。”他说，相比之下，以托卡马克为代表的磁约束核聚变更为成熟，特别是它能够实现稳态燃烧并持续输出能量，更有利于满足能源应用之需求。“ITER计划的启动标志着磁约束聚变研究由聚变等离子体实验与运行为主走向发展聚变堆核工程与技术。”

在建中的ITER项目

从技术到市场，资本涌向核聚变
尽管核聚变从技术迈向市场仍需数十年，但在“国家队”之外，越来越多的资本和私营企业正竞相介入这一领域。
“磁约束核聚变是一个庞大的涉核工程，涵盖的技术领域太多，包括电、磁、真空、微波、材料等众多学科，随着聚变研究的不断深入，我国有很多相关技术获得突破，其中最明显的是超导技术。”中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆此前接受科技日报采访时表示。
这些突破让中小型核聚变装置建设成为可能。资本闻风而动，希望通过技术革新加速实现商业化。
核聚变工业协会（FIA）去年7月发布的《2022年全球核聚变产业》报告发现，该领域宣布的私人投资额超过47亿美元，加上来自政府的1.17亿美元，总投资额超过48亿美元，较上一年第一份报告的数据增长139%。私人投资增长尤为迅猛，增加了近29亿美元。
“近年来，全球商业资本正加速涌入可控核聚变领域。一批初创企业涌现使得核聚变研究的途径更加多元化。”段旭如对澎湃新闻分析称，有些新概念聚变技术路线目前仍处于部分关键技术攻关阶段而未开展相关实验研究，或尚处于“科学原理性验证”阶段，到聚变能商用仍有较大距离。但这些多元化的技术路线，一定程度上为可控核聚变研究注入了活力，促进了前沿交叉科技与核聚变的融合，同时也将为传统可控核聚变的研究提供一些有价值的参考。
他认为，这类新兴企业的涌现，将对推动人类聚变能商用进程将产生一定的积极影响，同时也有助于加快聚变前沿中间技术的发展。