美国陆军将要启动新一轮转型 王明志：转型之路可能会“翻车”

5月下旬，A股可控核聚变概念板块(bǎnkuài)大涨，风头一时无两。可控核聚变为(wèi)我们描绘了一个无比美好的蓝图，接近零成本(chéngběn)、无限获取的能源，将让人类文明再度来到新的起点。

可控核聚变(jùbiàn)背后，藏着一个怎样的人类新未来(wèilái)？端午节后的首个工作日，合肥综合性国家科学研究中心能源研究院科发处处长(chǔchùzhǎng)、聚变产业应用研究中心副主任(zhǔrèn)孔德峰研究员接受了《每日经济新闻》记者的专访。

“我(wǒ)最开始选择可控核聚变这一研究(yánjiū)方向(fāngxiàng)，完全是随机的。但在多年的研究过程中，我逐渐坚信聚变技术是能够深刻影响人类(rénlèi)社会发展的关键技术。一旦可控核聚变取得成功，人类社会必将迎来巨大的变革。怀揣着这样的梦想，我希望能为这一巨变贡献自己的力量。”

过去(guòqù)20余年(nián)，孔德峰做的事情很纯粹。本科(běnkē)阶段，他选择了应用物理专业，学习等离子体物理，继续深造时，选择研究可控核聚变。2007年到2013年，孔德峰在中国科学(kēxué)技术大学完成了硕博连读。之后的9年中，孔德峰扎根中国科学院等离子体物理研究所，开展可控核聚变的技术研究；2022年，进入合肥(héféi)综合性国家科学中心能源研究院，继续开展聚变设计相关工作，持续在这条充满挑战与机遇的道路上探索前行(qiánxíng)。

作为聚变堆设计(shèjì)粒子(lìzi)控制负责人，孔德峰(kǒngdéfēng)重点研究芯部加料对氚自持及氚燃烧份额(fèné)的影响的评估，长期从事磁约束等离子体粒子反常输运研究和聚变堆装置(zhuāngzhì)物理设计。目前，其已在国际主要等离子体物理期刊发表文章30余篇，其中以第一作者和通讯作者在NF、PPCF及POP等发表文章共计15篇。

孔德峰(kǒngdéfēng)称，可控核聚变旨在(zhǐzài)模仿太阳原理(yuánlǐ)，在地球上创造持续聚变能量，实现这一目标需要解决高温、高密度和(hé)能量约束时间等难题。目前，人类已能将等离子体温度提高到1.6亿度，但提高密度和能量约束时间仍是挑战(tiǎozhàn)。氚是可控核聚变的重要燃料，但自然界中含量极少，且提取成本昂贵。实现氚自持是可控核聚变商业化的关键一步。

他还提到，必须重视核聚变的研发，并预计一旦可控核聚变商业化大规模实现，人类(rénlèi)的生产生活方式将被(bèi)彻底颠覆。

以下(yǐxià)为《每日经济新闻》记者（以下简称“NBD”）与孔德峰的(de)对话实录：

聚变反应的核心逻辑：打造“磁笼子”，增加氘氚的碰撞(pèngzhuàng)次数

过去70多年，科学家(kēxuéjiā)们(men)为实现可控核聚变做出的所有努力，若用一句话概括，孔德峰认为是(shì)“提高氘和氚的碰撞(pèngzhuàng)次数”。为了增加高温氘氚的碰撞次数，科学家们想了个办法，将它们约束在利用磁场打造的“磁笼子”里，让带电粒子循环跑圈，不断创造碰撞机会。

利用磁场(cíchǎng)打造的“磁笼子” 图片来源：BEST装置总包单位提供

NBD：请介绍一下(yīxià)你在可控核聚变领域开展的主要工作？

孔德峰：可控核聚变是(shì)一个非常复杂的系统(xìtǒng)，我们每一个“聚变人”都(dōu)是这个复杂系统中的螺丝钉。我从研究开始，主要做的是湍流这部分，研究可控核聚变里面的一些不稳定性。后来逐步转到了芯部(xīnbù)加料的系统开发，以及整个聚变反应堆的物理设计。

NBD：自诞生起，可控核聚变要(yào)解决的是什么问题？

孔德峰：可控核聚变最重要的(de)目标就是解决人类能源(néngyuán)的问题。聚变所产生的能源非常巨大，太阳是一个天然的聚变反应堆(fǎnyìngduī)，滋养了地球(dìqiú)和人类文明。人类目前使用的大部分能源——化石能源、光伏发电，甚至(shènzhì)农业生产的粮食，本质上都是太阳能的转化产物。而太阳能从聚变中产生，掌握可控核聚变技术，对于(duìyú)人类未来的发展会起到非常关键的作用。

NBD：如何理解“可控(kěkòng)”二字？

孔德峰：它实际上是相对于氢弹爆炸，即核武器的爆炸而言的。“曼哈顿”计划（美国(měiguó)陆军部研制原子弹(yuánzǐdàn)计划）主要(zhǔyào)研究原子弹（一种核裂变武器），但此后科学家很快开始探索氢弹（不可控核聚变）。氢弹爆炸会在(zài)瞬间释放出巨大的能量，对社会和城市造成巨大的破坏。因此，许多科学家开始思考(sīkǎo)，能否将氢弹释放的能量缓慢地释放出来，而不是在一瞬间全部释放，从而避免(bìmiǎn)对环境、生态和装置的破坏。

NBD：实现可控核聚变，我们已经达成了哪些(něixiē)初步目标？

孔德峰：实现可控核聚变是一项极具挑战性的(de)任务。一方面(yìfāngmiàn)，我们希望核聚变反应能够释放出能量，这需要满足所谓的“聚变三乘积”条件，即需要达到更高的温度、更高的密度以及更长的能量约束时间(shíjiān)。这是(zhèshì)评估聚变反应能否实现点火（即能量自持燃烧）的核心判据，也被(bèi)称为“劳逊判据”。

具体来说，要实现较好的(de)能量输出，聚变反应的温度需要达到约1.6亿度。经过可控核聚变领域70多年的发展，EAST装置(zhuāngzhì)（世界首个全超导托卡马克装置）已经(yǐjīng)能够将等离子体温度提升(tíshēng)到1亿度，并且稳定运行1000多秒，中核集团的中国环流器(huánliúqì)3号装置也报道了电子和离子双亿度的实验结果。

但仅仅提高温度是不够的(de)，我们还需要同时提高等离子体的密度和(hé)能量约束时间。因此，长期以来，人类(rénlèi)一直(yìzhí)在努力研究如何提高这三个参数，以达到聚变点火的条件。这是实现可控核聚变面临的核心挑战之一。

NBD：针对这三个参数，我们(wǒmen)目前重点在突破哪一个方向？

孔德峰：经过早期发展，像欧洲“联合环”，还有美国的(de)TFTR装置等，已摸索出在托卡马克装置上(shàng)提高温度的方法，并且实现了聚变(jùbiàn)输出功率接近输入(shūrù)功率。就当下工程技术而言，温度已能(yǐnéng)达到，但想实现更高的功率输出，核心是提高密度和能量约束时间，尤其是能量约束时间。

能量约束时间是不好理解的(de)(de)物理量。举例来说，假设你和我(wǒ)是两个燃料粒子，你是氘，我是氚，科学家们费大力气把我们加热到1.6亿度，可即便正面碰撞，发生(fāshēng)聚变反应的概率可能仅1%或更低。若碰撞没发生聚变反应，你我就会朝不同(bùtóng)方向分离，加热消耗的能量就浪费了。

因此，提高碰撞次数(cìshù)才是科学家努力追求的目标。以托卡马克装置为例，它利用(lìyòng)磁场打造“磁笼子”，可以理解成让粒子循环(xúnhuán)运动的“跑道”。燃料粒子第一次碰面没碰撞成功也无妨，借助磁场约束，粒子能在“跑道”里循环跑圈，不断创造碰撞机会。每多(měiduō)跑一圈，就多一次碰撞可能，碰撞次数也随之(suízhī)增加。

而提高能量约束时间，本质上就是让粒子在“跑道”里(lǐ)停留(tíngliú)更久，以此提高碰撞(pèngzhuàng)次数。粒子停留时间越(yuè)长，碰撞次数越多，总有一次能发生聚变反应。并且，磁场强度越大，粒子聚在一起碰撞的次数往往越多，在“跑道”停留时间也越长。

商业化的(de)关键一步：氘氚的稳定燃烧和氚的闭环循环

今年5月1日，合肥BEST（紧凑型聚变能实验装置）项目(xiàngmù)启动了工程总装，比预计时间(shíjiān)提前2个月，项目将于2027年完工，有望成为世界首个开展氘氚稳态(wěntài)燃烧的实验装置。此前不久，中核集团核工业西南物理研究院再次(zàicì)创下(chuàngxià)我国(wǒguó)聚变装置运行新纪录——新一代人造太阳“中国环流三号”实现百万安培亿度H模，中国聚变快速挺进燃烧实验。技术持续突破、政策不断落地以及(yǐjí)国内招投标加速，核聚变技术的工程化与商业化进程正在提速。

合肥科学岛(dǎo)BEST工程总装现场 图片来源：每经(měijīng)记者 张宝莲 摄

NBD：怎么(zěnme)理解EAST、BEST、CFEDR（中国(zhōngguó)聚变工程示范堆）之间的关系？

孔德峰：EAST是(shì)(shì)一个等离子体物理实验装置，核心是围绕劳逊判据展开研究——如何提高温度。EAST装置的另一大特点是全(quán)超导，能够实现(shíxiàn)长时间的稳定放电。BEST核心目的是进行氘氚反应，即实现Q＞1（Q=聚变输出(shūchū)能量/输入能量）的稳定功率输出。BEST目前(mùqián)聚变功率仅为50兆瓦到200兆瓦的水平。对未来的聚变反应堆来说，需要进一步提高聚变功率，目标是达到吉瓦（GW）级别，类似于(yú)现代煤电站的功率水平。

BEST之后就是CFEDR，要解决的是吉瓦级聚变功率(gōnglǜ)问题(wèntí)和氚(chuān)自持问题。氘在自然界中(zhōng)相对丰富，如海水中就含有氘，但氚在自然界中含量极少。因此，如何实现氚的增殖也是未来聚变反应堆需要解决的一个重要问题。

NBD：氚(chuān)从哪儿来？

孔德峰：现在的(de)氚(chuān)主要从核电站的重水反应堆中(zhōng)来，每年产量也就数公斤，但是一个吉瓦级的聚变堆每年消耗(xiāohào)的氚可能达到几十公斤。从重水反应堆中提取氚，将其放入聚变装置中进行(jìnxíng)反应。氘和氚反应后会产生中子，氚被消耗了。有人提出能否重新将这些中子打入锂-6中发生(fāshēng)核反应，从而产生氚。再把氚重新提取出来，进一步注入到托卡马克装置中，以满足反应中对氚的消耗，这就是氚增殖的概念。

换句话说，就是形成(xíngchéng)一个氚的闭环循环过程。理论上(shàng)，这个循环是可以达到的，但毕竟还没有在实际装置上验证过。

所以，从实现(shíxiàn)聚变商业化的角度(jiǎodù)来看，中间还有两步路要(yào)走。第一步就是(jiùshì)通过BEST装置进行验证，其核心使命是实现氘氚的稳定燃烧，这是一个需要进行系统验证的目标。另(lìng)一个核心使命是氚增殖，即实现氚的闭环循环，消耗多少氚就能产生多少氚，甚至产生的氚要大于消耗的氚，这是CFEDR等示范堆要验证的目标。

只有完成了(le)这两个核心目标，我们才能认为初步具备了商业化的价值，进而可以推进到商业化聚变堆的设计和建造阶段(jiēduàn)。

NBD：有分析(fēnxī)认为2030年是可控核聚变商业化(shāngyèhuà)的重要节点，你怎么看？

孔德峰：我感觉这个有点困难，可能(kěnéng)没有这么乐观。BEST建成时间是2027年，做(zuò)氘氚运行可能还得两三年的时间，有可能到2030年左右实现(shíxiàn)氘氚实验。

要(yào)实现可控核聚变的(de)大规模应用，无疑还有漫长的路要走。但这(zhè)是必须做的一件事，因为谁掌握了这项技术，谁就掌握了人类文明未来的发展(fāzhǎn)方向。至于何时能实现商业化，不同的人可能(kěnéng)有不同的看法。刚开始时，其成本可能会非常高，但随着可控核聚变技术的发展、投入的增加以及规模化(guīmóhuà)的扩大，每一项技术进步都意味着成本降低。最终，其成本有可能比其他发电方式还要低很多，这就是(jiùshì)可控核聚变的一个显著特点。

聚变工程攻坚，创造了(le)“沿途下蛋”的可能

科学家(kēxuéjiā)耗时70多年，将等离子体温度从百万度提升(tíshēng)至亿度，为(wèi)可控核聚变点火奠定了基础。当前，第一壁材料(cáiliào)如何抵御高温等离子体攻击、如何稳定聚变反应中的高能粒子，以及如何提升芯部加料效率等难题，仍有待攻克。尽管前路漫漫(mànmàn)，但秉持着“沿途下蛋”的创新模式，研发过程中催生的技术成果已惠及其他行业的科技进步。

BEST装置(zhuāngzhì)设计图 图片来源：BEST装置宣传片截图

NBD：怎么理解核聚变反应中的那些(nàxiē)不稳定性？

孔德峰：托卡马克(tuōkǎmǎkè)装置中心部温度达到一点几亿度，边缘温度只有几千度或几百度，这种温度梯度会(huì)造成一种势能，使高温高密度的粒子容易往边缘跑，造成不稳定性(bùwěndìngxìng)，类似“雪崩”。而且聚变反应产生的高能阿尔法粒子(āěrfǎlìzi)也会带来各种(gèzhǒng)不稳定性，需要控制这些粒子的运动轨迹，防止它们破坏装置。

NBD：你在当前工作中遇到哪些(něixiē)技术上的瓶颈？

孔德峰：有(yǒu)很多技术瓶颈。比如芯部加料问题(wèntí)，现在(xiànzài)常规的加料手段效率很低，以ITER装置为例，每注入100个氚粒子，仅有0.3个参与核反应，其余99.7个会被抽离，经氚工厂分离提纯后循环利用。但这(zhè)一过程存在损耗，系统损耗的氚甚至超过实际反应消耗的量(liàng)，对氚自持的循环提出了挑战。现在我们想办法把燃料(ránliào)粒子直接注入到芯部等离子体当中去，提高(tígāo)燃烧效率，这需要开发新的加料系统，又是一个非常复杂的挑战。

还有材料(cáiliào)损伤问题(wèntí)。聚变反应产生的高温高密度等离子体对材料的腐蚀和损伤比较严重(bǐjiàoyánzhòng)，需要开发新的运行模式，或者提高材料的耐受能力。

NBD：研发过程中有很多专利，对其他领域(lǐngyù)的科技进步(kējìjìnbù)有没有帮助？

孔德峰：可控核聚变涉及很多前沿技术，这些技术可以拓展到(dào)其他应用(yòng)场景。比如超导技术可以用在高分辨率核磁共振、材料检测、蛋白质筛查、污水处理、半导体单晶提拉(tílā)等领域；微波技术可以用在安检仪、肿瘤细胞检测等领域；等离子体技术可以用在麻醉机消毒(xiāodú)、细胞消融等领域；聚变中子可用于(yòngyú)同位素制药（如锝-99m）、中子活化分析谱仪实现元素快速(kuàisù)鉴定等。

未来图景：聚变的终点，人类文明跃迁的起点(qǐdiǎn)

当可控核聚变实现(shíxiàn)大规模商业化，人类将叩开(kòukāi)“终极能源”的(de)大门。接近于零的用电成本，释放的巨量电能，将重构人类社会的能源使用逻辑，引发生产和生活方式的颠覆性变革。“人造太阳”照亮(zhàoliàng)地球时，那个能源免费、物质丰裕的未来，来得比我们想象得更真实。

NBD：可控核聚变商业化实现之后，我们的生活(shēnghuó)大概会是什么样(shénmeyàng)的？

孔德峰：可控核聚变最大的特点是原料成本(chéngběn)非常低，氚虽然很(hěn)贵(guì)，但它只是反应过程的中间产物，真正的原料成本——即氘和锂(lǐ)的成本可以忽略不计。随着规模化发展，建造成本也会降低，而且装置固有安全属性高，在安全防护方面的成本可能比现有的核电站低得多。

我们单位正在与中央美术学院等团队合作，畅想电费(diànfèi)降为一分钱时，未来的生活会发生哪些变化(biànhuà)。

我个人畅想，当电费降到足够(zúgòu)低，社会将发生根本性的变化(biànhuà)。比如，农业可能(kěnéng)会完全改变形式。目前，中国科学院天津工业生物技术研究所通过电、二氧化碳和水就可以合成淀粉，如果电足够便宜，我们是不是可以通过工厂(gōngchǎng)来生产粮食，而不再需要大量的农田。

另外，环境沙漠化问题也将得到解决。沙漠化问题的根源在于淡水短缺，海水淡化的最大成本就是电费。当电费足够低时(dīshí)，我们就可以(kěyǐ)通过沿海地区大规模(dàguīmó)生产淡水，再将其输送到需要的地方。