關(guān)于“聚變總是還差若干年”的說(shuō)法，早已成了老梗。我試著追溯這句話最早從何而來(lái)，但沒(méi)有找到確切源頭。

不過(guò)，有研究人員的回憶可以追溯到20世紀(jì)60年代；還有人在1986年的一次會(huì)議討論中提到過(guò)類似說(shuō)法。兩種說(shuō)法分別認(rèn)為，聚變發(fā)電還要50年，或者還要25到30年。照這個(gè)時(shí)間推算，差不多都指向2010年代。

顯然，我們?cè)缫言竭^(guò)了那個(gè)所謂的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，但媒體仍不斷出現(xiàn)類似表述：聚變能源還要30年、還要50年，或者如果按更精細(xì)的算法，可能還要17.8年。這個(gè)笑談諷刺的，是聚變能源接入商業(yè)電網(wǎng)的進(jìn)展看上去過(guò)于緩慢。

但這背后也有重要前提。過(guò)去二十多年里，聚變研究已經(jīng)取得巨大進(jìn)展，能量輸出不斷提高，硬件持續(xù)改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)和理論層面也出現(xiàn)了大量突破，而且這些進(jìn)展來(lái)自全球范圍內(nèi)大大小小的參與者。科學(xué)家也已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了聚變點(diǎn)火。

問(wèn)題其實(shí)不在于，人類能否在地球上重現(xiàn)恒星獲取能量的方式；更關(guān)鍵的是，我們?cè)鯓硬拍艹掷m(xù)、穩(wěn)定、高效地做到這一點(diǎn)。

圍繞這個(gè)問(wèn)題，我們請(qǐng)專家參與了本次問(wèn)答。這里不討論聚變能源究竟何時(shí)到來(lái)，也不再為聚變研究的價(jià)值辯護(hù)。但如果聚變能源至今仍未真正落地，總該有原因，可能還不止一個(gè)。

既然如此，我們最好正視這些問(wèn)題。那么，這些原因究竟是什么？如果一定要選出聚變發(fā)電面臨的最大障礙，那會(huì)是什么？更重要的是，有沒(méi)有什么簡(jiǎn)單的解決辦法？

我們前面還有大量科學(xué)和技術(shù)開發(fā)工作要做。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火10次，而且這個(gè)數(shù)字還在增加，但我們對(duì)于如何駕馭并應(yīng)用這些聚變反應(yīng)，仍有很多東西要學(xué)。需要指出的是，國(guó)家點(diǎn)火裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是為國(guó)家安全實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)，而不是高效地產(chǎn)生商業(yè)聚變能源所需的能量增益。

到目前為止，無(wú)論是在能量增益、燃燒等離子體，還是聚變界真正看重的其他關(guān)鍵指標(biāo)上，都還沒(méi)有其他設(shè)施或技術(shù)路線接近國(guó)家點(diǎn)火裝置。

聚變很難。它要求我們創(chuàng)造并控制比地球上任何環(huán)境都更極端的等離子體和材料條件，很多時(shí)候甚至超過(guò)恒星核心中的條件。這意味著我們必須不斷逼近科學(xué)與工程能力的極限。“聚變很難。它要求我們不斷逼近科學(xué)與工程能力的極限。”

盡管在我看來(lái)，前路依然漫長(zhǎng)，但我仍然樂(lè)觀地相信，人類最終能夠做到。科學(xué)和技術(shù)每天都在取得巨大進(jìn)展，而聚變一旦成功，帶來(lái)的潛在收益將改變整個(gè)世界。無(wú)論還需要10年還是50年，聚變能源都值得繼續(xù)投入。歸根結(jié)底，進(jìn)展速度會(huì)與資源和資金投入成正比。政府和投資者的支持越多，這一時(shí)間表就會(huì)越短。

聚變面臨的最大障礙，是材料科學(xué)。聚變本質(zhì)上提出了一個(gè)問(wèn)題：我們能否在地球上造出一種裝置，讓它在恒星內(nèi)部那樣的條件下持續(xù)運(yùn)行多年而不被摧毀？聚變領(lǐng)域很多人都認(rèn)同，必須承受極端輻射和高溫的反應(yīng)堆部件，是最主要的難關(guān)之一。

氚增殖包層？是材料問(wèn)題。托卡馬克中直接面對(duì)等離子體的內(nèi)壁？是材料問(wèn)題。慣性聚變所需的靶丸，既要經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì)和極高公差制造，又要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，還必須做到球形完美、微觀層面極其純凈？還是材料問(wèn)題。磁體所需的高溫超導(dǎo)帶材？

也是材料問(wèn)題。就連激光光學(xué)元件，如果要從現(xiàn)在每天3次發(fā)射提高到每秒10次，同時(shí)還能承受這種強(qiáng)度，本質(zhì)上也還是材料問(wèn)題。決定聚變電力能否全天候并入電網(wǎng)的關(guān)鍵，在于我們能否造出不會(huì)迅速退化、不會(huì)失效的材料，并建立起一個(gè)穩(wěn)健的聚變產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈。

要把“恒星裝進(jìn)瓶子里”，我們和這個(gè)目標(biāo)之間仍隔著一系列重大技術(shù)障礙。無(wú)論是磁約束聚變能源還是慣性聚變能源，都面臨四項(xiàng)基礎(chǔ)性挑戰(zhàn)：維持并穩(wěn)定燃燒等離子體，提高能量增益，同時(shí)又不能為了維持低成本而犧牲效率；制造能夠承受強(qiáng)烈輻射和高熱負(fù)荷的部件；以及實(shí)現(xiàn)氚燃料的增殖與回收。

就慣性聚變而言，國(guó)家點(diǎn)火裝置成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，意味著我們已經(jīng)在科學(xué)增益上打了一個(gè)重要勾。但國(guó)家點(diǎn)火裝置的激光系統(tǒng)目前每天大約只能發(fā)射1到3次，而一座發(fā)電廠需要達(dá)到每秒約10次。這在重復(fù)頻率、靶丸制造和碎屑管理方面，都是極其巨大的跨越。

斯坦福直線加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室目前正把重點(diǎn)放在慣性聚變能源技術(shù)創(chuàng)新上，相關(guān)工作由美國(guó)能源部、聚變能源科學(xué)項(xiàng)目以及“聚變創(chuàng)新研究生態(tài)協(xié)作體”框架下的公私合作共同支持。

科學(xué)家仍需要更深入地理解，等離子體一旦進(jìn)入自加熱、接近點(diǎn)火的狀態(tài)后，究竟會(huì)如何演化，其中包括湍流、不穩(wěn)定性、能量輸運(yùn)以及阿爾法粒子動(dòng)力學(xué)。無(wú)論是磁約束還是慣性聚變，兩類技術(shù)路線都迫切需要在測(cè)量和診斷手段上取得創(chuàng)新，只有在合適的時(shí)間和空間尺度上獲得驗(yàn)證數(shù)據(jù)，才能檢驗(yàn)學(xué)術(shù)界、國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和私營(yíng)企業(yè)廣泛使用的模型。對(duì)于持續(xù)燃燒等離子體的認(rèn)識(shí)——例如磁約束聚變中的情況——仍不完整。

對(duì)于壓縮燃料靶丸的內(nèi)爆對(duì)稱性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性的理解——例如慣性聚變中的情況——也仍不完整。氚燃料循環(huán)科學(xué)中的一些環(huán)節(jié)，目前同樣缺乏充分約束。

不過(guò)，我們確實(shí)正在取得進(jìn)展。美國(guó)能源部“聚變創(chuàng)新研究生態(tài)協(xié)作體”推動(dòng)了國(guó)家實(shí)驗(yàn)室體系內(nèi)部以及公私合作項(xiàng)目中的協(xié)同工作。商業(yè)聚變電站必須以此前從未證明過(guò)的速率和效率，完成氚的增殖、提取、處理和回收。為此，我們需要專門的試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)開展初步驗(yàn)證。美國(guó)能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室體系中正在推進(jìn)的一些項(xiàng)目——例如聚變包層測(cè)試設(shè)施——就是一個(gè)非常好的起點(diǎn)。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人類一直知道，聚變反應(yīng)有可能釋放出極其巨大的能量。在這段時(shí)間里，人們提出了多種實(shí)現(xiàn)聚變凈能量輸出的路徑。但要把它真正變成商業(yè)現(xiàn)實(shí)，事實(shí)證明，這是我們這個(gè)時(shí)代最艱巨的工程挑戰(zhàn)之一。

如今，這些概念中的許多已經(jīng)得到部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，至少對(duì)于其中一些路線，業(yè)界對(duì)其凈能量物理機(jī)制能夠成立抱有很高信心。多年來(lái)，物理模型、診斷技術(shù)和計(jì)算工具都取得了巨大進(jìn)步，但真正拖累聚變能源實(shí)際部署的，還是資金投入長(zhǎng)期不足。

如果人們樂(lè)觀地認(rèn)為，聚變能源幾年內(nèi)就能到來(lái)，那隱含前提其實(shí)是：必須有充足而持續(xù)的資金支持。但直到最近，聚變系統(tǒng)開發(fā)和測(cè)試的投資幾乎都來(lái)自政府，而且始終不夠。即便在這樣有限的投入水平下，資金周期也更多受政治風(fēng)向影響，而不是由科學(xué)進(jìn)展決定。

在一些資金枯竭期，許多同行轉(zhuǎn)向了其他研究領(lǐng)域；即使后來(lái)資金回流，很多人也沒(méi)有再回到聚變領(lǐng)域。這反過(guò)來(lái)又讓整個(gè)行業(yè)失去了大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

如今，聚變?nèi)谫Y已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)不同的階段。至少在西方國(guó)家，私人資本已成為最大的資金來(lái)源，而且投入規(guī)模仍在逐年增加。

現(xiàn)在，全球已有50多家私營(yíng)公司在推進(jìn)聚變技術(shù)，而其中大多數(shù)在10年前還并不存在。當(dāng)然，這些公司的專業(yè)能力、技術(shù)成果和可信度差異很大。未來(lái)10年里，很多公司會(huì)消失，或者與其他公司合并，但其中也有少數(shù)公司，已經(jīng)準(zhǔn)備在未來(lái)幾年發(fā)布重大消息。

其中尤其值得關(guān)注的，是所謂“科學(xué)增益大于1”這一里程碑。它意味著，在不計(jì)入工程系統(tǒng)效率損失的前提下，裝置輸出到等離子體之外的能量，大于輸入到等離子體中的能量。國(guó)家點(diǎn)火裝置已于2022年12月宣布，在慣性約束聚變上實(shí)現(xiàn)了這一里程碑。未來(lái)幾年，一些磁約束聚變路線也會(huì)宣布各自版本的這一成果。

再往后，下一個(gè)重要里程碑是“工程增益大于1”。這一指標(biāo)把所有設(shè)備效率損失都計(jì)算在內(nèi)，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)商業(yè)部署所必需的。它很可能會(huì)在未來(lái)10年內(nèi)出現(xiàn)。隨后，大規(guī)模部署將接踵而至。聚變能源如今確實(shí)已經(jīng)出現(xiàn)在地平線上。