可控核聚变系列深度②：新一代托卡马克的建成，是实现聚变点火的重要节点

追溯人类研究核聚变的历史，为何可控核聚变至今尚未实现？可控核聚变至今尚未实现，主要是由于技术难度、研究进展的曲折性以及聚变点火的复杂性等多方面因素的共同作用。早期，人类在二战后开启了核聚变技术的探索，尝试了多种技术路径，托卡马克技术在20世纪60年代脱颖而出并成为主流研究方向，但在后续发展中，尤其是20世纪80年代，科学家们发现等离子体中存在非线性微观不稳定性引发的湍流，导致反常输运现象，严重破坏了托卡马克对等离子体的约束效果，使得聚变点火的目标难以达成。 ITER的诞生背景及其建设进程始终低于预期的原因？ITER的诞生源于20世纪80年代核聚变研究的挫折，聚变点火的希望被寄托于下一代装置——ITER。但由于其建造成本高昂，美苏等超级大国难以独自承担，因此1985年在日内瓦峰会上倡议由多国共同启动该项目。然而，ITER的建设进程始终低于预期，主要原因是其规模过大导致技术难题频发； 法国核安全局对辐射防护措施提出更高要求，暂停了组装工作；供应链问题、监管僵局以及多国合作的协调难度也严重影响了项目进度。ITER项目涉及35个国家，各国在技术标准、资金投入和管理流程上存在差异，决策过程缓慢，科研团队在技术细节和设计理念上存在分歧，进一步增加了协调成本。这些因素共同导致了ITER项目自启动以来多次延期、成本超支，建设进度远未达到预期。 商业聚变公司的定位是什么，其中具有代表性的企业有哪些？商业聚变公司的定位主要集中在通过技术创新和工程化落地推动核聚变技术的商业化应用，目标是实现聚变发电的经济性和可行性。这些公司致力于开发小型化、低成本的聚变装置，以加速技术迭代和降低研发风险。代表性企业包括美国的Commonwealth Fusion Systems（CFS）公司，其通过高温超导磁体技术，显著缩小了托卡马克装置的尺寸，降低了建设成本和周期。商业公司的发展逻辑普遍遵循“小装置、低成本、快速迭代”的原则，为核聚变技术的商业化提供了灵活的路径，推动行业按计划逐步推进，预计在2030至2040年间实现首次并网发电。 中国核聚变研究的主力军是谁，分别对应哪些托卡马克装置？中国核聚变研究的主力军是中国科学院等离子体物理研究所和核工业西南物理研究院。BEST项目与HL-3项目分别是中科院等离子所与西南物理研究院正在建设或升级改造的托卡马克研究装置。未来重点将在我国磁约束主力装置BEST与HL-3上开展与CFETR物理相关的验证性实验，为CFETR的建设奠定坚实的基础。CFETR的核心目标是实现可控核聚变能的工程验证与商业化应用，旨在弥合纯实验装置与未来聚变示范发电厂之间的技术鸿沟，推动聚变能源从实验室走向实际应用。 可控核聚变何时能够实现？可控核聚变的实现时间难以确定，因为当前人类尚未突破多维技术瓶颈。尽管现有托卡马克装置取得了一定突破，但距离持续能量净增益仍差距甚远。新一代托卡马克装置（如ITER、CFETR、SPARC）的建设旨在系统性验证这些物理参数的协同运行极限，其建设落地是实现聚变点火的重要节点。然而，在未获取全参数运行数据前，基于现有实验结果外推时间表是不谨慎的。从历史实验数据和当前进展来看，ITER与SPARC实现可控核聚变的可能性较高，但仍需时间和持续的技术创新。 风险提示：1）技术成熟度不足；2）技术更新迭代；3）市场需求不确定性；4）商业化进程缓慢。 本文作为可控核聚变系列深度的次篇，尝试探讨一个核心议题：可控核聚变何时能够实现？一个简单回答是：在新一代托卡马克装置建成之前，任何预测都显得为时过早。 然而若必须给出一个时间框架，稳健的回答或许在2035至2040年之间，激进的回答或许在2030年左右。 围绕这一终极问题，衍生出一系列子问题，本文将尝试逐一回答： 1、追溯人类研究核聚变的历史，为何可控核聚变至今尚未实现？ 2、全球最大的核聚变实验装置——国际热核聚变实验堆（ITER）的诞生背景及其建设进程始终低于预期的原因？ 3、商业聚变公司的定位是什么，其中具有代表性的企业有哪些？ 4、中国核聚变研究的主力军是谁，分别对应哪些重要的托卡马克装置？ 1.追溯人类研究核聚变的历史，为何可控核聚变至今尚未实现？ 1.1.前期摸索阶段：第二次世界大战后至20世纪60年代 为了实现可控核聚变，人类在20世纪60年代尝试了多种技术路径，开启了可控核聚变技术探索的百花齐放时代。这一时期，各国科学家积极探索不同的技术方案，试图找到一种能够有效控制核聚变反应的方法，包括磁镜、箍缩以及仿星器技术等等。 在众多技术路径竞相发展的前夕，托卡马克技术凭借卓越的性能脱颖而出，如今已成为可控核聚变研究领域最主流的技术路线。追溯其发展历程，1958年，首台托卡马克装置T-1正式投入运行，进入20世纪60年代中期，第三代托卡马克T-3的设计迎来重大突破，其性能大幅提升。苏联科学家在T-3托卡马克上取得了电子温度1keV、质子温度0.5keV，以及nτ=10¹⁸m⁻³·s的显著成果，这一突破在国际上引发了托卡马克技术的热潮。此后，各国纷纷投入资源，建造或改建了一批大型托卡马克装置。 图1：前苏联T-1是全球第一台托卡马克 图2：前苏联T-3掀起了全球托卡马克研究的热潮 1.2.聚变研究热潮：20世纪60年代至90年代 自20世纪60年代至90年代，可控核聚变研究迎来了黄金发展期。在此期间，衡量聚变装置性能的核心指标——聚变三重积（𝒏𝑻𝝉，即等离子体密度、温度与约束时间的乘积）呈现出惊人的指数增长态势。全球主要聚变实验装置的三重积指标平均每1.8年即实现翻番，这一发展速度超越了同期的摩尔定律。20世纪80年代，美国TFTR、欧洲JET、日本JT-60等大型托卡马克装置的相继建成，使得三重积指标从70年代的约10keV·s/m³跃升至90年代的约10 keV·s/m³，实现了五个数量级的跨越式提升。 𝑬 图3：聚变三重积（图中蓝线）的提升速度一度堪比摩尔定律（图中红线） 1.2.1.20世纪60年代至70年代：托卡马克路线高速发展 在20世纪60年代至70年代，托卡马克技术不断取得进展。1968年，苏联的T-3装置成功实现了显著更好的约束效果。随后1970年，T-4装置在实验中首次观察到中子，标志着在磁约束环境下实现聚变的首次成功。1973年，T-3装置通过微波辅助加热技术，使电子温度首次上升至一亿度。1978年，托卡马克技术进展迅速。首先，美国的PLT装置通过中性束辅助加热技术，使离子温度首次达到一亿度。这一成果不仅提升了等离子体的加热效率，还为实现更高温度和更长时间的等离子体约束提供了可能。同年，苏联的T-7装置作为世界上第一个全超导托卡马克投入运行。全超导技术的应用极大地提高了磁场的稳定性和装置的运行效率，使得长时间稳定运行的聚变反应成为可能。 表1：托卡马克路线上的高速发展 1.2.2.20世纪80年代：乐观情绪的顶峰 在20世纪70年代的乐观基调下，人们开始设计下一代托卡马克装置，并预期在这一代装置上实现聚变点火。当时出现了四大托卡马克装置，分别是美国的TFTR、欧洲的JET、日本的JT-60以及苏联的T-15。作为这一代装置的代表，TFTR于1982年投入运营，其设计目标是实现聚变点火，并为日后建造商用聚变堆做准备。换言之，按照当时的预期，如果一切顺利，未来在TFTR的基础上稍作改进就能建成聚变电站。与此同时，JET装置于1983年正式投入运行，其基本目的是获得和研究接近聚变堆状态和尺寸的等离子体，从而为未来详细评估托卡马克反应堆的参数、尺寸和工作状况。JT-60于1985年投入运行，其主要目标是研究高温、高密度等离子体的约束特性以及相关的聚变工程问题。苏联的T-15装置于1987年投入运行，其设计目标是研究大尺寸等离子体的约束和加热技术。 图4：20世纪80年代的四大托卡马克 1.2.3.20世纪80年代至90年代：一盆冷水 20世纪80年代，在四大托卡马克装置上陆续发现了新的等离子体运行模式，在新的运行模式下，托卡马克装置的约束效果远不及预期，无法实现聚变点火。在20世纪80年代建成的托卡马克装置中陆续观测到了等离子体中非线性微观不稳定性引发的湍流，导致了反常输运现象，严重破坏了等离子体的约束，成为可控核聚变研究道路上的重要障碍。后续科学家仍致力于挖掘80年代托卡马克装置的潜力，最终在一些装置上实现了Q值接近1的输出。进入20世纪90年代，新一代托卡马克装置的建设进度未能如预期般顺利推进，这使得聚变研究的热度在一定程度上有所降温。 2.ITER的诞生背景及其建设进程始终低于预期的原因？ 在经历20世纪80年代核聚变研究的挫折后，聚变点火的希望被寄托于下一代装置——国际热核聚变实验堆（ITER）。然而，建造更大规模的装置需要巨额资金，即使是美苏这样的超级大国也难以独自承担。因此，1985年，美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫在日内瓦峰会上倡议，由美国、苏联、欧共体（现欧盟）和日本共同启动国际热核聚变实验堆（ITER）。该计划旨在通过国际合作的方式，建造一个可实现大规模聚变反应的实验堆，以验证人类和平利用核聚变能的科学和技术可行性。 图5：1985年戈尔巴乔夫在日内瓦峰会上向里根提出开发聚变能源国际合作项目的想法 2.1.ITER是人类历史上最大的托卡马克 本系列深度的第一篇报告《可控核聚变系列深度①：科普，从氘氚反应到托卡马克》介绍了托卡马克定标率的概念，简而言之，托卡马克的约束性能很大程度上取决于装置的尺寸𝑹和磁场强度𝑩。 𝜏∝𝑅𝐵 𝐸 𝜏能量约束时间 𝑅等离子体环大半径𝐵磁场强度 𝐸 更大的托卡马克装置能显著提升等离子体约束能力，因此在21世纪前，出现了托卡马克越建越大的趋势。20世纪70年代至2000年前后，全球范围内建设了多个大型托卡马克装置，如美国的TFTR、欧盟的JET、日本的JT-60U等。这些装置通过增加尺寸和提升磁场强度，显著提高了等离子体的约束能力和聚变性能。 图6：21世纪前托卡马克装置越建越大（图中更大的圆代表托卡马克更大的体积） ITER的建造体现了“增加托卡马克尺寸”这一逻辑，建成后将成为人类最大的托卡马克装置。ITER的整体重量达2.3万吨，高度接近30米，规模显著超过目前运行的最大实验聚变反应堆。 图7：ITER建成后将成为人类最大的托卡马克装置（图中有三个人） 2.2.过大的装置带来了过多的问题，多种因素导致ITER建设进度不及预期 ITER项目自启动以来，一直面临严重的延期和超支问题，进展远未达到预期。该项目最初计划于2016年投入运行，但多次推迟，目前预计或许要到2026年才能启动。 自2006年项目开始以来，成本已从最初的50亿欧元飙升至超过200亿欧元。这一巨额投资不仅包括建设费用，还包括未来数年的运营成本。 ITER的延期和超支问题主要源于多方面的问题。首先，技术难题频发，例如磁体线圈和真空室部分存在严重缺陷，需要进行昂贵的修复工作。其次，法国核安全局暂停了ITER的组装工作，要求提供更充分的辐射防护措施。此外，供应链问题和监管僵局也导致项目进展缓慢。例如，部分部件落后于进度，系统出现缺陷，如隔热层和真空容器精度不足。 多国合作的协调问题也使得项目在执行过程中难以持续推进。ITER项目涉及35个国家的合作，这种多国参与的模式虽然汇聚了全球资源，但也带来了协调难度。各国在技术标准、资金投入和管理流程上存在差异，导致决策过程缓慢。例如，项目内部管理层的更替也对进度产生了负面影响。此外，不同国家的科研团队在技术细节和设计理念上可能存在分歧，进一步增加了协调成本。这种复杂的国际合作关系使得项目在执行过程中难以高效推进，导致进度一再延误。 图8：ITER的建设进度与建设预算始终不及预期 3.商业聚变公司的定位是什么，其中具有代表性的企业有哪些？ 3.1.为聚变能公司提供的资金正在全球范围内激增 美国和中国在聚变能领域的投资金额都呈现出显著的增长趋势，截至2024年，聚变能产