能者谈 | 彭元凯：聚变研发正从“永远50年”进入“10～20年”窗口期

一系列重大技术突破，预示着聚变研发正从“永远50年”进入“10～20年”窗口期，商业公司的高效运作可能进一步缩短时间。

文/本刊记者 范珊珊

彭元凯

核聚变技术专家，美国斯坦福大学应用物理硕博士，在美国橡树岭国家实验室从事聚变研发工作40年，原创性提出球形环聚变研发方向，后在美国普林斯顿等离子体物理研究所任职国家球形环实验（NSTX）研发主管10余年，退休后曾兼任中科大核学院外聘客座教授、中科院等离子体物理研究所特聘研究员。2018年起担任新奥能源研究院聚变首席科学家。

今年以来，我国核聚变研究取得了一系列突破，引发了全球关注。当前，我国核聚变研究总体水平在全球处于何种地位？这些突破是否意味着我国核聚变商业化再提速？带着这些这些疑问，《能源》杂志采访了核聚变技术专家、新奥核聚变首席科学家彭元凯，对我国核聚变技术未来发展面临的一系列关键问题进行了解答。

《能源》：2022年底，美国的国家点火装置（NIF）实现净增量增益，被视为可控核聚变里程碑事件。但托卡马克装置历来是聚变发电研发的主流技术，您如何评价这两种技术的优缺点？谁在发电利用上更有前景？

彭元凯：激光约束（惯性约束）短期内实现高能量增益（如NIF的5倍），适用于脉冲式微型聚变，在武器模拟与基础物理研究中有独特价值。没有磁约束聚变对超导磁体、装置第一壁抗中子辐射和抗高热负荷等方面的苛刻要求。但是，其激光器的电光能量转换效率低、重复频率低。从细分场景来看，激光聚变或在小规模、特殊用途（如小型中子源）中占优。

托卡马克是磁约束的一种主要方式，也是目前聚变研究的主流方向。氘氚磁约束（托卡马克、球形环、仿星器）稳态运行潜力大（EAST已实现千秒级放电），氘氚聚变技术路线成熟（ITER项目积累数十年经验），更适合大规模发电厂。但它须解决超导磁体成本、氚自持与材料抗中子辐照集成性复杂工程问题。

从发电应用来看，氘氚托卡马克更可能率先测试示范堆。因其工程化路径已清晰，且国际协作（如ITER）推动标准化。

《能源》：目前，中国的可控核聚变整体进展情况如何？

彭元凯：我不是做惯性约束的，而是聚焦磁约束方面。磁约束目前主要有三个方向：托卡马克，球形环，仿星器。托卡马克还是磁约束的最大最强的研究方向，目前中国无论是在托卡马克的工程领域还是物理实验方面都是走在世界前列的，等离子体所EAST的亿摄氏度千秒H模是非常了不起的成果。在EAST做出千秒放电之后，法国WEST装置也做出1300秒的放电，但是WEST的长脉冲放电的电子温度是5千万摄氏度，也就是EAST的一半，更大的区别是WEST是L模放电，而未来托卡马克反应堆希望是在H模运行，因此EAST的长脉冲成果领先。另外，“环流三号”最近的放电实验的电子温度和离子温度分别达到亿摄氏度，这都是非常棒的成果。

在球形环方面，新奥的玄龙-50U的综合性能级和参数是处于国际球形环的第一梯队的。陕西星环聚变在重频磁重联加热方面也做出了很有特色的结果。而在仿星器方面，无论是装置设计还是物理实验，我们还处于起步阶段，距离德国和日本有相当大的距离，未来可期。

在磁约束聚变涉及的工程技术方面，中国应该是掌握最全面的，也具有最完善的产业链。俗话说，不能把鸡蛋放在一个篮子里，中国雄厚的经济基础和强大的国力应该能支撑不止一个孵化聚变的篮子。

《能源》：今年来，我国核聚变特别是磁约束领域取得了一系列突破性进展，是否意味着我们和世界其他国家核聚变研发处在同一水平线上？未来还有哪些挑战？

彭元凯：我国聚变探索近年来不断提速，特别是今年以来取得一系列重要进展，已经实现了从基础科学向工程实践的重大跨越，从“跟跑”跃升至“并跑”甚至部分领跑，部分领域达到了国际前沿水平。大国崛起的背后都离不开能源革命，支撑中国未来实现民族复兴的能源革命就在于聚变。我国亟须加速突破聚变技术，抢占未来能源战略的制高点。

全球聚变历经70余年科研探索，科学可行性业已得到验证，目前处于工程可行性验证向商业化应用落地的关键过渡阶段。全球各国对聚变实现突破的信心大增，竞相加大相关领域的投入。同时，我们应看到，聚变技术难度超高、工程超级复杂，实现商业化并网发电仍需较长时期的技术攻坚。最关键的技术难题和挑战来自能量增益（Q值）与等离子体性能、建设成本、能量转换效率、技术成熟度、功率密度与可扩展性这几个方面。

《能源》：核聚变作为人类的终极能源，聚变商业化实现后给人类的能源利用带来了哪些深远的影响？

彭元凯：能源是人类文明发展的物质基础。聚变基于无碳排放、产能稳定的特点，能够满足人类能源的海量需求，一旦实现商业化，或将如蒸汽机、电力等引发新一轮科技革命。我国作为能源消费大国，在“双碳”目标和人工智能快速发展的驱动下，对绿色能源需求迫切，基于长远能源需求，聚变将成为解决经济社会可持续发展问题的核心变量。突破聚变技术瓶颈，加速商用开发进程，是构建无碳、安全、高效的现代能源体系现实的理性选择。

聚变商业化一旦实现，将对人类能源利用产生以下几方面革命性影响。一是能源供应彻底清洁化与无限化。二是重塑全球能源结构与地缘政治格局。三是技术范式与能源经济的颠覆性创新。四是推动跨学科科技突破与人类文明跃升。五是加速全球能源治理与合作模式转型。

《能源》：外界对于聚变的进展有个“还有50年”的说法，指代这一技术研发的难度和周期，似乎总是在50年后才落地。您如何评价当前聚变研发进展？它真的“还有50年”吗？

彭元凯：这一说法反映了聚变研发的历史困境，比如基础科学突破缓慢、工程复杂度高、资金投入周期长等。但当前进展已显著改变这一预期。首先，技术进步加速，高温超导磁体（如CFS公司）和新型位形（如仿星器、球形托卡马克）大幅提升了磁场使用和装置设计效率。其次，资本与政策推动，全球私人资本近5年投入超50亿美元，远超政府项目。美国Helion、中国星环聚能等企业计划2030年前实现示范堆。再次阶段性突破证明科学可行性已接近，2022年NIF实现净能量增益，托卡马克装置（如EAST）实现千秒级高约束模运行，环流三号实现分别的电子及离子一亿摄氏度温度，玄龙-50U氢硼等离子体实现100万安培电流等。聚变研发正从“永远50年”进入“10～20年”窗口期，商业公司的高效运作可能进一步缩短时间。

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