今年1月，“一剑一堆”成为国内硬科技界的开年热词。

“一剑”是指强流直线等离子体装置“赤霄”，由中国科学院合肥物质科学研究院等离子体所（以下简称“等离子体所”）研制。1月14日，“赤霄”全面建成并投入运行，为核聚变装置材料研发打通了“任督二脉”。不到一周后，位于合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），也就是“一堆”所指的聚变实验堆，实现了1亿摄氏度1066秒稳定运行，刷新世界纪录。

有“人造太阳”之称的托卡马克装置，旨在模拟太阳产生能量的原理，在地球上实现可控核聚变，从而产生大量清洁能源。近年来，国内核聚变研究从基础科研逐步迈向工程实践，除了“国家队”的大科学装置外，核聚变企业也带着各种小巧灵动的自研装置“加入战场”，国内商业核聚变领域规模初具。

去年7月，聚变行业协会FIA发布《2024年全球聚变行业报告》，调研了全球最重要的45家核聚变商业企业。35家受访回复的企业中，最乐观的3家认为2030年前其可以实现聚变电力上网。国内企业星环聚能是受访企业之一，其创始人、CEO陈锐表示，2030年左右，至少会有一些商业聚变公司能够制造出聚变示范电站。

可控核聚变，真要来了？

从“一剑” 到 “一堆”

长15.5米、重约22.5吨，“赤霄”的流线型结构让它看上去仿佛一把横卧的宝剑。它得名于中国古代十大名剑之一的赤霄剑，当核聚变燃料，也就是等离子体的辉光在内部亮起时，它将成为一把实打实的“光剑”。可控聚变装置的本质是“烧开水”，将聚变燃料加热到极高的温度，以实现聚变反应。

“赤霄”内部每平方米每秒可极速喷射1024个粒子，能够模拟出与聚变堆内部极为相似的环境，从而破解核聚变装置材料研发的难题。等离子体所研究员、聚变堆材料及部件研究室主任周海山介绍，未来核聚变堆主要以氢同位素也就是氘、氚作为燃料，因为氘、氚是自然界最容易发生聚变的粒子。“赤霄”使用的是氢同位素和氦，旨在尽可能模拟真实的聚变。

中国科学技术大学核科学技术学院教授孙玄解释，要保持聚变堆稳定运行，聚变装置的壁材料问题很棘手。聚变燃料的粒子流强度很高，会轰击装置壁，尤其是直接与等离子体接触的“第一壁”。壁材料需忍受强粒子流轰击，不发生融化、溅射等。

因此，第一壁的性能直接关系到聚变反应堆能否长期稳定运行。在孙玄看来，等离子体与壁材料的相互作用过程很复杂，可能出现难以控制的爆发事件。以前壁材料需要承受的粒子流大概是每平方米1兆瓦，现在接近10兆瓦，如果出现短时爆发事件，可能会更高。目前，尚未发现可以长时间忍受这一轰击强度的材料，“赤霄”未来的任务十分艰巨。

周海山表示，“赤霄”通过验收后，中国成为继荷兰之后第二个拥有此类装置的国家，而“赤霄”的综合性能已做到国际领先。内部测试时，“赤霄”在喷射1024个粒子的情况下，可连续运行24小时，远超设计的1000秒。此外，“赤霄”约束粒子流的磁场能力拔群，最高中心磁场强度达3特斯拉。“赤霄”也是一个开放设施，“我们欢迎国内外同行使用‘赤霄’做研究、出成果”。

“赤霄”是国家“十三五”重大科技基础设施“聚变堆主机关键系统”（CRAFT）的一项关键设施。CRAFT的使命是为中国聚变工程实验堆，也就是“人造太阳”搭建综合性研究平台。周海山介绍，CRAFT相当于把聚变堆的所有关键部件进行拆解，作为独立任务逐一攻破。“赤霄”专攻壁材料问题，其他技术平台专攻加热、超导磁场等技术，这样的技术平台共有十余个。

“赤霄”的研制成功向最终的托卡马克装置迈出了重要一步。孙玄解释，托卡马克是目前最主流的聚变技术路线，其源于苏联，在俄语中是一个组合词，由“环形”“真空室”“磁场”“线圈”四个词各取一部分拼凑而成。这也囊括了托卡马克的主要构成，其装置的中央是一个环形真空室，外面缠绕着线圈，像个甜甜圈，在通电时内部会产生强磁场，将其中的等离子体加热到聚变反应所需的温度。

由于聚变资源丰富且无污染，可控核聚变一直被认为是人类解决能源问题的“终极能源”。实现可控核聚变的判断标准是Q值，也就是装置输出能量与输入能量之比。如果输出能量超过输入，理论上核聚变就可能开始为人类发电了。

在孙玄看来，Q>1只是最基本的条件。聚变追求的是自持燃烧，也就是不需要任何输入功率的稳定、长时间能量输出，如同太阳一样。最理想的情况应该是Q等于无穷大，而当下离这个目标还有很长距离。业内人士认为，这也是“赤霄”这样的突破真正的价值所在。利用实验数据，科学家们可以更快地确定适宜的工程路径，从而加速聚变反应堆的研发进程。

托卡马克之困

目前，仍有“数座大山”横亘在我们与真正的聚变反应堆之间。

陈锐认为，核聚变的主要难点集中在工程执行上。首先，氘氚聚变通常需要1亿摄氏度的高温，是太阳核心温度的7倍，这对装置材料和制造工艺提出极高要求。另外，在如此极端的条件下约束高温等离子体并不容易。

“目前最需要解决等离子体稳态和自持燃烧问题。”孙玄说。全球暂时还没有能够长时间燃烧的聚变堆，许多潜在问题可能尚未浮现。比如燃料问题，如果走氘氚聚变路线，由于氚在自然界不存在，需要人工制取，如何产氚、如何在反应中实现氚的循环使用都是问题。另外，由于氚也用于制造核武器，国家管控非常严格，商业化或难实现。

如果用具体参数来衡量，核聚变最重要的是实现一定的等离子体密度、温度和能量约束时间。“任何聚变团队都需要根据自身技术路径，明确三个参数的数值。”孙玄指出，目前亟待突破的就是能量约束时间，时间越长突破难度越大，这正是EAST专攻的领域。

自2006年建成运行以来，合肥科学岛上的EAST已屡破纪录。其等离子体运行次数超15万次，在这一领域的工程物理上持续保持国际领先。在长脉冲、高级别能量约束的模式下，EAST先后跨越60秒、100秒、400秒大关，并于今年实现1066秒的稳定运行。

高级别的能量约束模式因其效率高、经济性强，是未来聚变实验堆和工程堆稳定运行的基本模式。孙玄认为，EAST刷新自身纪录意味着聚变工程运行模式的转变。早期的托卡马克只能间歇性地输出能量。如果要实现24小时不间断运行，最主要的方法是维持和延长等离子体电流。EAST通过各种加热手段实现了维持等离子体一定时间内的稳态，“这些都是了不起的结果”。

“由于工程量大、任务复杂，目前各个国家操持的聚变项目要完整实现其目标，很可能要再等数十年。”孙玄说，“但可以肯定的是，我们已经站在了向聚变示范堆进发的起跑线上。”周游