“裝在瓶子里的太陽”，終極能源有多強(qiáng)悍

“能源是什么？你想到的第一個(gè)畫面是什么？”在采訪的中程，孔德峰話鋒一個(gè)急轉(zhuǎn)，突然反問過來。

孔德峰不是媒體人，他是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的理工男，但他問過很多人這個(gè)問題。他是真的好奇。

去年，他也這么問過中央美術(shù)學(xué)院的一群教授。他當(dāng)時(shí)的身份是合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院科發(fā)處處長、聚變產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究中心副主任。從2007年讀研開始，他專注核聚變的研究方向，算算時(shí)間，已近20年。

他問出了問題，回答卻總是不能令他滿意，大部分人都是一樣的反應(yīng)：黑色的煤炭，黑色的石油，黑色的環(huán)境污染……“難道這不奇怪嗎？”孔德峰反問道，這個(gè)社會(huì)離不開能源，但是人們對(duì)能源卻沒什么好感。

孔德峰還是一個(gè)航天迷。貨比貨，更“誅心”。因?yàn)楹娇蘸教炫c能源緊密連接，“你問航天（的第一畫面），是白色的火箭，白色的宇航服，是探索宇宙，是航天精神……”

本質(zhì)相差不遠(yuǎn)的兩個(gè)領(lǐng)域，一個(gè)是發(fā)出“白月光”的月亮，另一個(gè)竟是地上骯臟的“六便士”。孔德峰得出他的結(jié)論：“你會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們能源的這個(gè)‘人設(shè)’，實(shí)在是有點(diǎn)糟糕。”

這也是為什么，身為“理工男”“科研人”“工程師”的孔德峰，要去找央美合作，“借助美的東西，為聚變、可控核聚變，甚至是為能源，重新造一個(gè)人設(shè)出來”，他說。

孔德峰，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家，合肥工業(yè)大學(xué)聚變科學(xué)與工程學(xué)院執(zhí)行院長，合肥聚合聚變技術(shù)有限公司創(chuàng)始人

因此，當(dāng)我們討論核聚變的時(shí)候，在高深晦澀的科學(xué)原理之前、在震撼的大科學(xué)裝置之前，或許應(yīng)該重新認(rèn)識(shí)能源的樣子。不一個(gè)樣子的能源，也將把文明變成不同的樣子。

下一站，核能

去年9月，與央美合作的科普展覽，在央美的美術(shù)館開幕，名字就叫“能源與文明——科學(xué)藝術(shù)·聚變未來”。核聚變是主角，但是，展覽用了很大的篇幅，回顧從鉆木取火到核聚變的能源技術(shù)演變，講清楚能源究竟是怎么來的。“因?yàn)樵谝粋€(gè)能源人的視角中，能源的類型，對(duì)人類文明形態(tài)有本質(zhì)的影響。”孔德峰說。

能源是怎么來的？這個(gè)問題從本質(zhì)上回答，并不復(fù)雜。因?yàn)樵诟旧希厍蛏系娜祟惸芨惺艿降某^99%的能源，都來自太陽。

光伏、風(fēng)能、閃電，都是太陽能的不同形式。連煤、石油、天然氣這樣的“化石能源”，也是遠(yuǎn)古植被儲(chǔ)存下來的太陽能。太陽能之外，地球形成時(shí)的地?zé)崮堋⒁约暗厍蜃赞D(zhuǎn)所帶來的潮汐能，為人類所開發(fā)的程度極小，可以忽略不計(jì)。因此可以說，對(duì)人類而言，太陽哺育了一切。于是，關(guān)鍵問題變成了人類使用能源時(shí)的轉(zhuǎn)化效率。

對(duì)人類而言，太陽哺育了一切，而太陽的能量來自核聚變反應(yīng)

在原始社會(huì)，人類攫取能源的最重要方法是采摘果實(shí)。這個(gè)過程中，太陽照射樹木植物，通過光合作用，太陽能儲(chǔ)存到果實(shí)或者種子上；通過進(jìn)食，能量為人類所獲。“本質(zhì)上，就是太陽能通過多重轉(zhuǎn)化，最后轉(zhuǎn)化成人體能量。”孔德峰解釋。

不難理解，如此一來在原始社會(huì)，能量的轉(zhuǎn)化效率有多低——樹木那么多，果樹只是極少數(shù)；果樹那么大，果實(shí)也只是一小部分；最終，成熟的果實(shí)也僅有一小部分為人類所用。人類打獵攝取能量，也是一樣的道理，只有極小部分能量完成了轉(zhuǎn)化。

進(jìn)入農(nóng)業(yè)社會(huì)，“太陽直接照射到禾苗、水稻這些作物上，（太陽能）轉(zhuǎn)化成種子的比例大幅提升”，孔德峰解釋。所以，農(nóng)業(yè)社會(huì)才能養(yǎng)得起大規(guī)模的人口。人員聚集生活，開始了社會(huì)組織形態(tài)的演化。

進(jìn)入工業(yè)社會(huì)，煤、石油、天然氣，本質(zhì)都是化石能源，人類以“電力”的形式，把能源集中到發(fā)電廠。于是，能源集中起來，可以支撐城市的運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)展，才有了高度發(fā)達(dá)的城市文明。

每當(dāng)人類找到一種更高效的利用太陽能的方式，文明就完成一次躍遷。

化石能源之后，下一個(gè)主力能源會(huì)是什么呢？孔德峰的答案是：核能。

四川成都的中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院內(nèi)，中核集團(tuán)“玲龍一號(hào)”試驗(yàn)臺(tái)架/新華社記者 劉坤 攝

“我自己的判斷是，如光伏、風(fēng)電的新能源，會(huì)成為非常重要的能源形態(tài)，但它們更多的是，在核能時(shí)代之前的一個(gè)過渡期。”孔德峰說。

去年夏天的央美，相似的演化路線，以藝術(shù)的形式被展覽出來。核聚變的部分，三大裝置“閃電”“海”和“造太陽”引人駐足。

其中的“造太陽”，是用光纖設(shè)備導(dǎo)引自然的陽光，在館內(nèi)的白墻上，投射出一個(gè)直徑5米的“人造太陽”，光纖絢麗又柔和。

它暗合了核聚變能源兩個(gè)最重要的特點(diǎn)，一個(gè)是，哺育了人類的太陽能，就來自太陽上的核聚變反應(yīng)，因此人類要掌握核聚變能源，就是要人工造一個(gè)“太陽”。另一個(gè)，是它如陽光般清潔、耀眼——能源不再是“黑黑的什么”。

“瓶中的太陽”

聚變能源的“起點(diǎn)”很高，甫一問世，就有人稱它是能源界的“圣杯”，乃至“終極能源”。

連行業(yè)內(nèi)的人都有不安，敢叫終極能源，就意味著，這是最終的能源解決方式。“有大佬就出來質(zhì)疑，這個(gè)說法會(huì)不會(huì)太重？”孔德峰說。

但人們對(duì)它的高期望，也是有依據(jù)的。聚變能源的歷史，據(jù)孔德峰介紹，可以從愛因斯坦的質(zhì)能方程開始。E=mc2，意思是，質(zhì)量可以轉(zhuǎn)換為能量，而且是爆發(fā)式的能量。

核能歷史的高能一頁，便是1945年對(duì)日本的核打擊。世界一起目睹，質(zhì)能方程中的“爆發(fā)式的能力”是多么恐怖。

1952年，基于核聚變反應(yīng)的氫彈試驗(yàn)成功，這種毀天滅地的威力深深地震撼了當(dāng)時(shí)的人類。

1952年11月1日，美國第一顆氫彈爆炸成功/圖源：視覺中國

氫彈是不可控的核聚變，帶著令人憂懼的力量。科學(xué)家們開始關(guān)注，有沒有一種“可控核聚變”的辦法——它讓能量通過聚變反應(yīng)慢慢地、可控地釋放。唯如此，這股強(qiáng)大的力量，才能為人所用。

一開始，研究人員充滿信心，他們認(rèn)為20年左右即可實(shí)現(xiàn)可控核聚變。往后，“時(shí)間表”一拖再拖。

如今70多年過去，不同核聚變團(tuán)隊(duì)的時(shí)間表依然長短不一，以至于行業(yè)戲說，可控核聚變永遠(yuǎn)還需要50年。

難在哪里？孔德峰介紹道，可控核聚變有很多技術(shù)路線，但無一例外，必須關(guān)注3個(gè)核心因素，等離子體的溫度要高、密度要大、能量約束時(shí)間要長，這三個(gè)數(shù)值乘在一起，數(shù)量級(jí)至少達(dá)到1021——這是一個(gè)常人難以想象的天文數(shù)字，但只是可控核聚變實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”的及格線。

“點(diǎn)火”可以理解為，聚變釋放的能量大于等于外部輸入能量。讓我們引入一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算，當(dāng)釋放能量與輸入能量的比值Q遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的時(shí)候，才能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電、為人所用。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)聚變的商業(yè)化發(fā)電，比值Q至少應(yīng)該大于等于10。

為可控核聚變劃出“及格線”的人叫約翰·勞森，英國的物理學(xué)家，他提出的這套密度、溫度、約束時(shí)間“三乘積”被稱為“勞森判據(jù)”，是可控核聚變歷史上一個(gè)里程碑式的理論，它幾乎成了衡量聚變裝置水平的核心依據(jù)。

可控核聚變?nèi)朔e歷史趨勢圖

勞森在上世紀(jì)50年代提出這條“判據(jù)”。他判斷了當(dāng)時(shí)全世界的裝置，“三乘積”數(shù)量級(jí)基本在1010水平，也就是說，當(dāng)時(shí)的裝置能力距離目標(biāo)還有100億倍的差距。但戲劇性的是，定下了聚變能源“金標(biāo)準(zhǔn)”的勞森認(rèn)為，此事決難達(dá)成，轉(zhuǎn)投其他方向了。

“勞森放棄了，但各個(gè)國家的科學(xué)家們沒有放棄，一直在做。60年代，蘇聯(lián)出現(xiàn)了突破。”孔德峰介紹，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)研究的T-3裝置，一下子把溫度提高到了1000多萬度，由此出現(xiàn)了“第一次技術(shù)收斂”。30年后，歐洲、美國的裝置Q值已達(dá)到0.75。最新情況是，日本做到過Q=1.25。

“我們也有自己的摩爾定律：每隔幾年，三乘積就翻10倍。”孔德峰說。

托卡馬克，未來的門票？

聚變的演進(jìn)史，托卡馬克是故事的主角。

這個(gè)來自俄語的詞，直譯的意思是“帶有磁線圈的環(huán)形腔室”，它至今仍是最重要的、科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)最低的聚變技術(shù)。上世紀(jì)60年代開始，聚變能源發(fā)展迎來第一波高峰，標(biāo)志是托卡馬克成為主流路線。

到了90年代，出現(xiàn)了四大著名的托卡馬克裝置，分布在美國、歐洲、日本和蘇聯(lián)，距離實(shí)現(xiàn)Q值大于1，也即點(diǎn)火條件，“到了臨門一腳的時(shí)候”。

于是，各個(gè)國家開始坐下來，共克難關(guān)。2006年，中國和歐美等共7方在巴黎簽署協(xié)議，正式開啟了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的建設(shè)。

2026年3月31日，建設(shè)中的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER

那兩年，孔德峰還是一名學(xué)等離子體物理的本科生，2007年開始在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩博連讀，他正式進(jìn)入核聚變領(lǐng)域，偶然地踏入了未來風(fēng)口。

歷史總是令人意外地發(fā)展。ITER的發(fā)展百般不順，預(yù)算超支，工程不斷延后，“拖得大家受不了”。

商業(yè)資本入局，推動(dòng)了第二波發(fā)展高峰。標(biāo)志性的事件是，美國核聚變商業(yè)公司CFS，2021年實(shí)現(xiàn)了第一批高溫超導(dǎo)線圈的繞制，并測試成功。而后，比爾·蓋茨領(lǐng)投CFS，一下子投了18億美元。

“這一下子點(diǎn)燃了全球資本市場對(duì)可控核聚變的熱情。”孔德峰說。

同一時(shí)間，中國正式啟動(dòng)了BEST（緊湊型燃燒等離子體實(shí)驗(yàn)裝置）項(xiàng)目的研制；“前一代裝置”EAST實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億度101秒等離子體運(yùn)行和1.6億度20秒等離子體運(yùn)行，而后，放電時(shí)間繼續(xù)突破百秒、千秒，去年1月，這個(gè)數(shù)字來到1066秒。

位于中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的“人造太陽”全超導(dǎo)托卡馬克大科學(xué)裝置EAST

行業(yè)內(nèi)的這些范式變化和技術(shù)的突破發(fā)展，都是第二波高峰的推動(dòng)因素。

當(dāng)下的競賽場，種子選手當(dāng)屬中國和美國。2025年，全球私營核聚變?nèi)谫Y已達(dá)130億歐元，美國以53%占榜首，中國以34%位居第二。

絕大部分目光和經(jīng)費(fèi)，都在托卡馬克上，但托卡馬克以外的路線，也一樣在同步發(fā)展。

如果托卡馬克是問題的“最優(yōu)解”，為什么大家還在各行其是地發(fā)展呢？

孔德峰解釋了其中的門道。“你要相信，科研人員對(duì)技術(shù)路線的判斷，有些人會(huì)有一種類似于信仰的堅(jiān)持。”他介紹說，當(dāng)對(duì)一個(gè)東西研究深入后，科研人員對(duì)托卡馬克、仿星器、場返位形……各自的優(yōu)缺點(diǎn)，一清二楚。

孔德峰總結(jié)，多技術(shù)路線的發(fā)展，至少帶來3個(gè)明顯的好處。

首先，誰先實(shí)現(xiàn)聚變商業(yè)化仍未確定，穩(wěn)妥起見，當(dāng)然要押注所用“選手”；其次，競爭對(duì)手往往最知道你的缺點(diǎn)，“反對(duì)意見，可以提供你自己看不到的、或者另一個(gè)分析視角的缺點(diǎn)”；第三，事實(shí)上，多路線會(huì)提供很多原始的、原創(chuàng)性的新想法，甚至幫助解決了托卡馬克的問題——現(xiàn)實(shí)例子不少，這對(duì)保護(hù)整個(gè)體系的健康發(fā)展，起到重要作用。

孔德峰很清楚不同選擇意味著什么，代價(jià)是什么。

“托卡馬克很強(qiáng)，就是太貴了，成本壓不住。”孔德峰解釋，ITER為什么拖延？就是系統(tǒng)越來越復(fù)雜，體積越造越大，磁場越來越強(qiáng)，裝置越造越貴。而系統(tǒng)工程之復(fù)雜，按下這頭，漂起那頭，問題無盡。

位于法國圣保羅-萊迪朗斯的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）預(yù)組裝大廳內(nèi)拍攝的接受檢查的超大型設(shè)備/新華社記者 高靜 攝

從材料上，托卡馬克又分低溫超導(dǎo)、高溫超導(dǎo)。低溫超導(dǎo)比較成熟了，成本相對(duì)低，但是磁場不能往上提了。高溫超導(dǎo)能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)磁場，是將來“降本增效”的希望，但是現(xiàn)階段，孔德峰認(rèn)為材料還不太成熟。

燃料路線上，“氫硼”或“氘氦3”也被押注了希望，它更加安全，“但是聚變的溫度實(shí)在太高，要十億度甚至幾十億度才能達(dá)到高效的聚變反應(yīng)”。

核聚變過程

裝置層面上，場反位形，相比托卡馬克便宜得多，“幾十個(gè)億，甚至十幾個(gè)億，就能造一套裝置出來”。但是對(duì)應(yīng)的，它的等離子體密度會(huì)很高，約束時(shí)間比托卡馬克要短很多，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也大很多。

沒有“性價(jià)比之選”，每一條路，都會(huì)辛苦。不過孔德峰相信，核聚變領(lǐng)域“一兩個(gè)裝置可能會(huì)失敗，但是聚變本身一定會(huì)成功”。

幸運(yùn)不會(huì)眷顧所有人，巨大的資金和人力投入，都可能落空，但是，也有一種可能是，堅(jiān)持的人能拿到通向未來的那張“門票”。

想象“能源自由”

孔德峰也想拿到“門票”，無論是實(shí)現(xiàn)一名科研人員的事業(yè)目標(biāo)，還是達(dá)成他那頗具浪漫色彩的“重新給能源打造一個(gè)人設(shè)”的愿望。

博士畢業(yè)后，孔德峰先在中國科學(xué)院等離子體物理研究所扎根9年，后于2022年，進(jìn)入合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院。

“公開可查的戰(zhàn)績”有，他負(fù)責(zé)研制了全球首套面向中大型托卡馬克的緊湊環(huán)芯部加料系統(tǒng)（CTI），首次在東方超環(huán)EAST裝置上開展芯部加料實(shí)驗(yàn)并獲得成功。

EAST上緊湊環(huán)加料系統(tǒng)安裝工程圖

今年，孔德峰的事業(yè)迎來新階段。他現(xiàn)在的身份，是合肥工業(yè)大學(xué)聚變科學(xué)與工程學(xué)院執(zhí)行院長，還是一家聚變技術(shù)公司的創(chuàng)始人。他選擇的路線，是場反位形，而非主流的托卡馬克。

去年夏天，在與央美的專家們交流時(shí)，孔德峰被建議說，“跟普通人講核聚變時(shí)，什么托卡馬克，什么三乘積，什么點(diǎn)火，是很難講清楚的。如果直接說，實(shí)現(xiàn)核聚變，能源價(jià)格就可以降低，電費(fèi)幾乎不要錢，空調(diào)可以不用關(guān)，就好理解得多”，他很受用。

但“能源自由”的想象，顯然并不局限于此。

現(xiàn)有的尺度下，聚變?nèi)朔e即將抵達(dá)“勞森判據(jù)”，達(dá)到1021量級(jí)。那么隨著迭代，“三乘積”再往上提高一點(diǎn)，能量增益也將會(huì)快速放大，這是科學(xué)參數(shù)上的數(shù)量級(jí)跨越。另外，隨著材料、構(gòu)件的更新，裝置尺寸和成本也有望迎來數(shù)量級(jí)的下降。

換言之，聚變能源這個(gè)閥門，一旦真正開啟，它帶來的將是人們過去難以想象的巨大能量。

今天的航天器，由巨大的火箭及成噸的燃料“騰云駕霧”地送入太空，而在聚變能的時(shí)代，一個(gè)小型能源，就像一個(gè)“小太陽”，不僅維持飛船的能量運(yùn)轉(zhuǎn)，還直接產(chǎn)生動(dòng)力。而那時(shí)的太空遨游，才可能成為真正的平民消費(fèi)。

2026年3月，英國航天推進(jìn)公司實(shí)現(xiàn)“Sunbird”核聚變火箭“首次等離子體”測試

實(shí)際上，連孔德峰自己也很難想象，聚變能源商業(yè)化的時(shí)代到底什么樣子。“那個(gè)時(shí)代的人看我們，就像我們看1000多年前的人。”孔德峰說。

在他現(xiàn)在的想象中，“能源自由”，這個(gè)人類從未擁有的情形一旦實(shí)現(xiàn)，首先是物質(zhì)的極大豐富。因?yàn)槲覀兊闹圃鞓I(yè)成本，除了人工之外，本質(zhì)上都是能源成本。“能源自由”了，不管做什么，價(jià)格都會(huì)很低。

我們能做很多在今天看來匪夷所思的事。孔德峰說，比如，我們可以合成糧食，無論大米或者其他蔬果，在營養(yǎng)各方面沒有任何問題；再比如，海水淡化，一掃水資源的缺乏……

一切變化的本質(zhì)，是核能時(shí)代的能量轉(zhuǎn)化效率大幅提高。那時(shí)，關(guān)于能源的“黑黑的”景象，會(huì)是長長歲月里的一個(gè)短暫誤會(huì)，成為歷史，被忘記。

本文首發(fā)于《南風(fēng)窗》雜志第11期

作者 |向現(xiàn)

編輯 | 施晶晶

值班主編 | 吳擎

排版 | 阿車