“中國環(huán)流三號”，圖片來源：核工業(yè)西南物理研究院

撰文 | 戴晶晶

人類到底什么時候才能實現(xiàn)可控核聚變？這個問題或許并不關(guān)鍵，因為通過建設(shè)聚變電站來供給電力可能并沒有商業(yè)價值。

3月23日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的研究團隊在《自然·能源》（Nature Energy）發(fā)表論文指出，主流技術(shù)路線的聚變發(fā)電廠經(jīng)驗率（Experience Rate）僅有2%-8%，遠(yuǎn)低于目前聚變商業(yè)公司的假設(shè)。[1]

論文一作、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院在讀博士生湯靈熹（Lingxi Tang）向《知識分子》解釋，所謂“經(jīng)驗率”是衡量技術(shù)學(xué)習(xí)效應(yīng)的重要指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)定義是累計產(chǎn)量每增加一倍時，單位成本下降的百分比。

例如，太陽能光伏（PV）的經(jīng)驗率通常可達(dá)20%左右，這意味著每當(dāng)累計產(chǎn)量翻一番，其單位成本便會下降約20%。[2]

“如果經(jīng)驗率僅有2%-5%，即使未來部署規(guī)模大幅增長，成本下降也將十分有限，缺乏經(jīng)濟競爭力。“湯靈熹說，“以及現(xiàn)在還不存在聚變電廠，諸多工程和材料問題還未解決，無法準(zhǔn)確評估其初始成本。”

因此，論文的政策簡報提議，除非開發(fā)出具有不同特性的新設(shè)計，否則政策制定者不應(yīng)將聚變能源作為未來清潔能源體系的核心支柱，也不應(yīng)為其提供資金支持。[3]

此篇論文無疑給火熱的聚變賽道潑了盆冷水，但在業(yè)界也引發(fā)了質(zhì)疑。麻省理工學(xué)院（MIT）孵化的商業(yè)聚變公司CFS現(xiàn)任CEO鮑勃·蒙加德（BobMumgaard）在采訪中直言，該研究團隊既未參與聚變產(chǎn)業(yè)實踐，也未聯(lián)系他或“任何正在建造聚變電站的人”，結(jié)論未必充分反映行業(yè)現(xiàn)狀。[4]

事實上，多年來國內(nèi)外圍繞核聚變的爭論從未停歇。借此機會，《知識分子》采訪了論文作者以及多位國內(nèi)聚變領(lǐng)域的科研和產(chǎn)業(yè)界人士，希望為這場討論提供更多視角和信息。

01 復(fù)雜不是優(yōu)勢

1936年，航空工程師西奧多·萊特（Theodore Wright）通過分析飛機制造數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)累計產(chǎn)量翻一倍，單位成本便會按一定比例下降。[5]

這一規(guī)律被稱為“萊特定律”（Wright's Law），用來描述某項技術(shù)在規(guī)模化生產(chǎn)過程中不斷降本的現(xiàn)象，即“邊做邊學(xué)”（Learning by doing）的典型體現(xiàn)，如今已被廣泛用于汽車、光伏、電池等產(chǎn)業(yè)的研究。

在萊特定律框架下，不同技術(shù)間的經(jīng)驗率存在顯著差異，較高的經(jīng)驗率往往意味著更快的降本速度和更強的商業(yè)化潛力。

比如1976年-2019年期間，太陽能組件的價格從每瓦106美元降至0.38美元，降幅達(dá)99.6%，使太陽能成為世界上最便宜的電力來源之一。[6]電動汽車和鋰電池等技術(shù)也展現(xiàn)出了顯著的經(jīng)驗曲線，推動其走向大規(guī)模商業(yè)化。

作為一種新型能源技術(shù)，可控核聚變在過去幾年吸引了大量市場和政策關(guān)注。支持者認(rèn)為，聚變有望提供近乎無限、清潔且廉價的能源，從根本上改變?nèi)蚰茉大w系。

“一些聚變公司和專家聲稱聚變能像太陽能一樣價格快速下降，”湯靈熹說，“但似乎沒有證據(jù)來檢驗這說法。”

湯靈熹等人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有聚變成本的預(yù)測研究主要通過主觀設(shè)定經(jīng)驗率，或借用其他技術(shù)類別的經(jīng)驗率參數(shù)。這導(dǎo)致目前文獻(xiàn)資料采用的8%-20%經(jīng)驗率范圍可能并不準(zhǔn)確。

某項技術(shù)的經(jīng)驗率主要基于歷史成本數(shù)據(jù)估算，而聚變尚未實現(xiàn)商業(yè)化部署，缺乏可供分析的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。因此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究團隊轉(zhuǎn)而從技術(shù)特征推斷主流核聚變路線的經(jīng)驗率。

已有研究表明，設(shè)備規(guī)模、設(shè)計復(fù)雜度和定制化程度是影響經(jīng)驗率的關(guān)鍵因素。研究人員通過專家訪談評估未來聚變電站在這三個維度上的特征，再與經(jīng)驗率已知的成熟技術(shù)進(jìn)行比較，從而推導(dǎo)出聚變電站可能的經(jīng)驗率范圍為2%-8%。

湯靈熹提到，在專家訪談過程中，受訪者幾乎一致將聚變電站評價為高度復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)。

“很多科學(xué)家對此感到自豪，在他們看來，能夠?qū)崿F(xiàn)可控核聚變本身會是一項壯舉。”湯靈熹說，“但復(fù)雜性恰恰可能成為限制成本快速下降的因素。對于發(fā)電技術(shù)而言，無論電力來自何種能源，最終決定其競爭力的仍然是成本。”

難以實現(xiàn)小型化是聚變電廠經(jīng)驗率較低的另一個重要原因。根據(jù)該研究的訪談，專家普遍認(rèn)為聚變電站的規(guī)模下限較高，單機容量難低于200兆瓦。

“目前主流的氘氚（D-T）聚變路線會產(chǎn)生高能中子，需要厚重的屏蔽層來保護(hù)設(shè)備和周邊環(huán)境，這對反應(yīng)堆尺寸提出了要求。”

湯靈熹同時表示，另一方面，聚變反應(yīng)本身存在明顯的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，如果等離子體體積過小，其表面積與體積之比會顯著增大，熱量更容易散失，維持聚變反應(yīng)所需的能量成本也會隨之上升。

聚變電站與陸上風(fēng)電、光伏電池板、鋰電池和核裂變電站經(jīng)驗曲線對比[1]

不過，研究團隊也強調(diào)，目前關(guān)于經(jīng)驗率決定因素的理解仍存在局限性。設(shè)備規(guī)模、設(shè)計復(fù)雜度和定制化需求與經(jīng)驗率之間的關(guān)系，更多體現(xiàn)為相關(guān)性而非嚴(yán)格的因果關(guān)系。

2024年4月，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院卡特琳·西弗特（KatrinSievert）等人在《Joule》發(fā)表論文，首次提出了可以用上述三個特征來預(yù)測新興技術(shù)的經(jīng)驗率，并通過對聚光槽式光熱發(fā)電、陸上風(fēng)電和光伏歷史成本的回溯測試一定程度驗證了該方法的可靠性。[7]

“論文發(fā)表后，確實引發(fā)了一些爭議。有的說終于有人開始質(zhì)疑核聚變是否值得如此大規(guī)模投資，也有人認(rèn)為我們的方法并不夠嚴(yán)謹(jǐn)。”

湯靈熹指出：“但到目前為止，我還沒有看到任何批評能夠從根本上推翻我們的結(jié)論。因為據(jù)我所知，這是第一篇基于歷史理論和證據(jù)，而非主觀假設(shè)，來估算核聚變經(jīng)驗率的研究。”

02 “吞金巨獸”？

核聚變是輕原子核結(jié)合成較重原子核并放出巨大能量的過程，聚變電站旨在從反應(yīng)堆中獲取這種能量以發(fā)電。由于聚變原材料資源相對豐富，且不會產(chǎn)生二氧化碳和長期存在的放射性廢物，被視為是人類解決能源問題的重要出路。

目前主流聚變反應(yīng)使用氘和氚作為燃料。美國能源部稱，僅1克氘氚燃料所釋放的聚變能量，就相當(dāng)于約2400加侖石油的能量。[8]

相比核裂變所需的重核素，核聚變的燃料儲量更為充足。例如，氘在自然界中大量存在，每6500個氫原子中就有一個是氘。氚具有放射性且半衰期較短，故只有極少量氚天然存在，但可以通過中子轟擊鋰同位素的方式來生產(chǎn)。

然而，即使燃料成本能得到控制，考慮到聚變電站的低經(jīng)驗率，一旦初始建設(shè)的資本支出（CAPEX）過高，聚變發(fā)電將難以保證經(jīng)濟性。

通過專家評估和文獻(xiàn)資料梳理，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團隊發(fā)現(xiàn)，由于低技術(shù)成熟度，學(xué)界和業(yè)界對于首臺聚變電站的資本支出尚無廣泛共識，其成本估計范圍從每千瓦裝機容量1400美元到43000美元不等。[1]

“和公共部門專家相比，私營部門專家在成本估算方面表現(xiàn)出的態(tài)度更加樂觀。”湯靈熹說。論文提及，私營部門專家給出的聚變電站資本支出平均估計約為每千瓦7000美元，而公共部門專家的平均估計約為每千瓦26000美元。

不過無論是樂觀還是謹(jǐn)慎，當(dāng)下關(guān)于聚變發(fā)電成本的討論都缺乏實際商業(yè)項目的驗證。迄今為止，全球尚未建成一座商業(yè)聚變發(fā)電廠，而標(biāo)桿性的國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）預(yù)算已達(dá)數(shù)百億歐元量級，可謂“吞金巨獸”。

1988年，美國、前蘇聯(lián)、歐盟、日本共同啟動了計劃，目標(biāo)為建造一個可自持燃燒的核聚變實驗堆。2006年，ITER正式啟動建設(shè)，由35個國家共同參與。

自啟動以來，ITER遭遇了多次延期和嚴(yán)重的成本超支問題。2024年7月，ITER組織總干事彼得羅·巴拉巴斯基宣布調(diào)整ITER路線圖，導(dǎo)致其成本再增加50億歐元。[9]此前，ITER官方估算的總成本已從2006年的60億歐元上升至200億歐元。[10]

假設(shè)核聚變電廠最終建成，實現(xiàn)商業(yè)成功也并非順理成章，它仍需在成本、可靠性和部署速度等方面與其他低碳能源技術(shù)展開競爭。

“人類社會對能源的需求會持續(xù)增長，清潔能源肯定越多越好。”湯靈熹表示，但如果聚變電站單體投資高達(dá)數(shù)十億美元，而現(xiàn)有技術(shù)能夠以更低成本實現(xiàn)同樣目標(biāo)，那么市場未必會為聚變買單。

“為什么要多花多么錢，而不是直接去增強電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，更多部署太陽能和儲能，或者建設(shè)配套碳捕集技術(shù)（CCS）的天然氣電站？”湯靈熹說。

埃隆·馬斯克也曾公開唱衰核聚變，稱“在地球上建造小型核聚變反應(yīng)堆愚蠢至極”。他指出，太陽本身已是一個巨大、免費的核聚變反應(yīng)堆，應(yīng)停止在小型聚變堆上浪費金錢。[11]

但隨著近兩年人工智能（AI）快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心用電需求激增，市場對于穩(wěn)定、低碳且可全天候運行的新型能源技術(shù)寄予更高期待，且伴隨著多種材料和技術(shù)的突破，聚變發(fā)電獲得了更多關(guān)注。

據(jù)核聚變產(chǎn)業(yè)協(xié)會（FIA）統(tǒng)計，截至2025年6月，全球聚變開發(fā)企業(yè)在過去12個月內(nèi)共募集資金26.4億美元，同比增長180%；53家聚變企業(yè)累計融資額已達(dá)到97.66億美元。[12]

03 降本的希望

由于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團隊僅評估了以氘氚燃料為基礎(chǔ)的磁約束和慣性約束聚變路線，部分業(yè)內(nèi)人士批評，該研究沒有充分考慮近年來商業(yè)聚變公司探索的其他技術(shù)路徑，存在局限性。

此外，也有觀點認(rèn)為，論文對影響聚變降本潛力的關(guān)鍵因素考慮不足，尤其是在零部件迭代和制造模式等方面。

“這篇論文作為學(xué)術(shù)討論沒什么問題，作為政策參考可能不合適。”北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)研究中心研究員康煒告訴《知識分子》，聚變發(fā)電廠經(jīng)驗率的估計值，是一個主觀感受占主導(dǎo)的數(shù)值，因人而異，因方法而異。從2%-20%都不奇怪，分別代表對技術(shù)發(fā)展的保守和樂觀估計，當(dāng)前的估計只是參考。

從實際建造進(jìn)展來看，CFS的CEO鮑勃·蒙加德指出，聚變電站在產(chǎn)品制造速度以及各類零部件成本下降方面已經(jīng)展現(xiàn)出明確趨勢，且遵循當(dāng)代工業(yè)體系的發(fā)展邏輯。

康煒也贊同，當(dāng)前聚變領(lǐng)域正處于多項關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展的階段。

“具體來看，高溫超導(dǎo)強磁體推動了約束技術(shù)進(jìn)步，先進(jìn)制造技術(shù)讓此前不被看好的仿星器路線重新受到重視，而AI技術(shù)的發(fā)展則有望提升等離子體長時間穩(wěn)定控制能力。”他說。

“這篇論文的基本結(jié)論我們是認(rèn)同的。”清華大學(xué)工程物理系副教授、星環(huán)聚能首席科學(xué)家譚熠對《知識分子》表示。

星環(huán)聚能成立于2021年，是一家脫胎于清華大學(xué)工程物理系聚變實驗室的核聚變商業(yè)公司。2026年5月，星環(huán)聚能完成5億元人民幣A+輪融資，估值突破10億美元，躋身獨角獸行列。

譚熠坦言，因為未來聚變堆各個部件現(xiàn)在還完全沒有報價，聚變能的經(jīng)濟性比較麻煩，正向研究很難。“后來我想了個辦法，正向推導(dǎo)聚變能的經(jīng)濟性很難的話，那我們就反過來研究。”

他的計算方法是，假設(shè)一個100萬千瓦的聚變電站，造價為1000億人民幣，使用壽命40年，成本、發(fā)電小時數(shù)、融資利息均參考現(xiàn)有核電的水平，考慮燃料成本、建造成本和運維成本，可以得到聚變的度電成本構(gòu)成里絕大部分是聚變堆的建造成本及其資金利息帶來的分?jǐn)偂?/p>

“因此，要降低聚變堆平準(zhǔn)化度電成本，必須要降低聚變堆的造價。”譚熠說。

星環(huán)聚能同時分析了不同能源技術(shù)的降本規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)，某種技術(shù)或者產(chǎn)品能否快速降價，主要取決于零部件數(shù)量，以及能夠自動化生產(chǎn)的零部件占比有多高。或者說，人工參與越多的技術(shù)就越難降低成本。

“光伏零部件數(shù)量可能是以百計，成本下降得特別快。風(fēng)電零部件數(shù)量以萬計，成本下降速度就慢了不少。現(xiàn)有裂變核電零部件數(shù)量按百萬計，成本就很難降低。”

譚熠指出，這些結(jié)論的意義在于，如果要讓聚變能走向千家萬戶，必須從源頭就降低聚變堆的復(fù)雜度，縮小聚變堆的體積。想通過先做個很大很復(fù)雜很昂貴的聚變堆，再去批量生產(chǎn)降低成本是很難的。

星環(huán)聚能選擇的技術(shù)路線為球形托卡馬克+高溫超導(dǎo)。譚熠稱這是對現(xiàn)有最成功的托卡馬克技術(shù)路線的大膽創(chuàng)新，能夠大幅縮小體積，并通過重復(fù)脈沖運行和磁重聯(lián)加熱，大幅降低復(fù)雜度。

“我們認(rèn)為只有這樣才有機會把聚變能做得足夠的便宜。”他說：“當(dāng)然也有一些其他路線更加簡單，更加緊湊，造價肯定會更低。但問題在于他們過往的歷史數(shù)據(jù)非常的不充分，不足以支撐我們基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)去設(shè)計未來的聚變堆，我認(rèn)為這些技術(shù)路線也很難。”

譚熠認(rèn)為，一方面原材料需要降低成本；另一方面，加工制造以及安裝，如果有新的模式，是有機會大幅降低聚變堆的成本，實現(xiàn)非線性的成本變化。

“按照現(xiàn)在ITER的造價外推的話，聚變電站的造價確實很高，經(jīng)濟地聚變發(fā)電非常困難。”

但譚熠依舊表示，星環(huán)聚能未來的示范電站可以大幅降低成本。初期目標(biāo)是經(jīng)過一次迭代后，讓聚變電站的成本降到跟現(xiàn)有核電差不多的水平。后期希望通過各種加工制造技術(shù)的升級，進(jìn)一步降低聚變堆的造價，逼近聚變電力的邊際成本，也就是聚變?nèi)剂铣杀荆阆聛砻慷入姴粫^一分錢。

04 永遠(yuǎn)迷人，永遠(yuǎn)遙遠(yuǎn)

“聚變實現(xiàn)了應(yīng)該最終一定會有商業(yè)競爭力的。但不一定會很快。”康煒說，主要的理由是其它形式的能源總功率有一個上限，在某個時間點會滿足不了人類的需求。

自20世紀(jì)30年代科學(xué)家們認(rèn)識到核聚變以來，利用這一原理來獲取幾乎無窮無盡的能源便成為了人類的夢想。但經(jīng)過近百年的研究，聚變能源仍未能向電網(wǎng)凈輸出一度電。

小規(guī)模實現(xiàn)核聚變并不困難，但產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)低于投入。1934年，卡文迪許實驗室研究團隊就通過高能氘離子轟擊富含氘的目標(biāo)，產(chǎn)生了氦-3和氚，首次實現(xiàn)了核聚變的實驗演示。[13]

1950年代，氫彈的出現(xiàn)證明核聚變能夠獲得凈能量，卻只能以不可控且極具破壞性的方式實現(xiàn)。

1957年，英國科學(xué)家J.D.勞森提出勞森判據(jù)（Lawson criterion），即為了實現(xiàn)自持核聚變，聚變裝置的能量增益因子Q應(yīng)當(dāng)不低于1，由此可以推導(dǎo)出等離子體的溫度、密度和能量約束時間的乘積（聚變?nèi)胤e）需要達(dá)到的數(shù)值。比如，ITER的目標(biāo)是達(dá)到Q＞10的增益，三重積的數(shù)值需要＞6 × 1021 m?3?s?keV。[14]

在可控核聚變發(fā)展的黃金期，聚變?nèi)胤e的提升速度一度堪比摩爾定律。1996年左右，日本的JT-60U以氘-氘為燃料，其聚變?nèi)胤e記錄曾達(dá)到1.5乘以10的21次方，聲稱等效氘氚已實現(xiàn)Q＞1。[15]而歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）在1997年的氘氚實驗中創(chuàng)造了Q=0.67的紀(jì)錄。[16]

然而進(jìn)入21世紀(jì)后，聚變?nèi)胤e和Q值的提升明顯停滯。等離子體不穩(wěn)定性、熱負(fù)荷管理以及能量提取效率等問題突出。

此外，如果使用氘氚作為燃料，聚變發(fā)電廠還必須同時解決高能中子損傷、氚燃料的增殖與回收、材料耐受性等一系列工程挑戰(zhàn)。[17]

“氘氚聚變跟其他能源很難競爭。不說其他能源，跟裂變都很難競爭，因為原料稀缺性和安全性問題與裂變類似，但堆的復(fù)雜度及能量導(dǎo)出方式明顯不如裂變。”AI+聚變公司瞬原科技創(chuàng)始人、前新奧集團聚變理論模擬首席科學(xué)家謝華生告訴《知識分子》，聚變能源要成功，幾乎必然要做先進(jìn)燃料。

他提到1983年MIT核工程教授勞倫斯·M·利德斯的論文，后者論述了氘氚聚變很有可能因為太昂貴和不可靠而無法實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。[18]

湯靈熹提及，一些中國商業(yè)聚變公司正在探索氘-氘（D-D）等先進(jìn)燃料路線，有望擺脫對氚燃料及其配套系統(tǒng)的依賴。“如果不需要氚，整個聚變系統(tǒng)被簡化，將利于成本下降。”

不過，氘氚聚變之所以是主流，正是因為它是目前已知最容易實現(xiàn)的可控聚變反應(yīng)。氘氘和氫-硼11等先進(jìn)燃料雖然有望降低未來電站的復(fù)雜度，但都需要更苛刻的反應(yīng)條件，即更高的三重積。

湯靈熹最后補充稱，核聚變目前仍處于早期的發(fā)展階段。“這也是為什么我認(rèn)為，至少在當(dāng)前階段，不應(yīng)該把核聚變視為應(yīng)對全球變暖的主要解決方案。”他說，“因為我們甚至不知道，第一座真正的聚變電站還需要多久才能出現(xiàn)。”

目前，商業(yè)核聚變公司的時間線可以稱得上激進(jìn)。

比如美國公司Helion計劃在2028年前為微軟供應(yīng)電力，CFS則希望在2030年代初通過首座商業(yè)聚變電廠ARC實現(xiàn)并網(wǎng)供電。在中國，星環(huán)聚能的目標(biāo)是2030年到2035年，建成可輸出電能的聚變反應(yīng)示范堆。

從聲量和資本熱度來看，可控核聚變似乎正在迎來最好的時代。但這一切的前提，是其工程化與商業(yè)化進(jìn)程能在未來5至10年內(nèi)經(jīng)受住現(xiàn)實檢驗。

參考資料：

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