作者 | 张慧敏山西大学理论物理硕士、日本富山大学工学博士一2026年聚变新闻仍在刷屏2026年可控核聚变的新闻再次刷爆了科技媒体的头条。中国的EAST装置在2025年初实现了1066秒的稳态长脉冲高约束模等离子体运行刷新了世界纪录美国聚变创业公司Helion累计融资超过10亿美元国际热核聚变实验堆ITER的预算超支已累积到100多亿欧元总成本逼近300亿欧元。每次看到这类消息一个流传已久的段子总会浮现在脑海中核聚变永远还差五十年。五十年前人们这么说三十年前这么说今天依然这么说。这个段子的早期版本是“三十年”。后来项目一再延期成本一再超支圈内人苦笑之余悄悄把数字改成了“五十年”。这意味着什么一个1995年出生的职业人若健康活到80岁可能在2075年左右看到第一座示范堆点火。至于核聚变给自家供电大概率还是不要抱太大希望。不过这一次似乎有些不同。资本当真了。Commonwealth Fusion Systems、Helion等公司融资额高达数亿甚至十几亿美元口号也喊得响亮“五年并网”“十年商业化”仿佛在告诉风投“你负责数钱我来给你写科幻剧本。”如果不深入了解仅看新闻标题很容易以为人类马上就要告别化石能源了。笔者关注核聚变已有多年并非因为物理功底深厚而是始终觉得如果真有所谓的“终极能源”那应该就是它。燃料取自海水废物远少于裂变不排放二氧化碳不存在熔毁风险——听起来完美得有些不真实。然而深入了解后会发现它不是“不像真的”而是很可能真的无法在可预见的未来成为现实。至少不是我们这一代人能够指望的那种“真”。本文将从物理原理、工程技术、经济成本三个层面分析可控核聚变商业化面临的主要障碍。需要说明的是文中部分结论已有实验验证部分属于业内合理推断还有一部分是笔者的个人判断将尽量予以区分方便读者自行判断。二氘氚聚变为何需要1.5亿摄氏度首先需要了解聚变的基本原理。简单来说聚变是将两个轻原子核合并为一个重原子核并在此过程中释放能量。太阳正是靠这种方式持续燃烧了数十亿年。人类希望在地球上复制这一过程于是有了“人造太阳”的设想。目前最成熟的燃料组合是氘和氚两者均为氢的同位素。氘的原子核包含一个质子和一个中子氚则包含一个质子和两个中子。氘在海水中储量丰富从一升海水中提取的氘聚变释放的能量大约相当于300升汽油。这意味着一立方千米海水里的氘理论上足以满足全球一整年的能源需求。氚则完全不同它在自然界几乎不存在半衰期仅12.3年必须依靠人工生产。目前全球氚库存大约只有二三十公斤主要来自加拿大重水反应堆的副产物。这个问题后面还会详细讨论这里只需记住一点在所有聚变路线中氘氚聚变是门槛最低、最容易“点火”的方向。为什么门槛最低因为氘和氚的原子核都只带一个正电荷彼此之间的静电排斥力最小。只需将燃料加热到约1.5亿摄氏度原子核的动能就足以克服库仑排斥力从而发生聚变。1.5亿摄氏度。这个数字在新闻中经常出现但很多人会疑惑太阳核心温度才1500万摄氏度为什么人类反而需要更高的温度是技术不够成熟非得烧得更旺才能点火吗答案并非技术问题而是条件不同。太阳核心的温度确实只有1500万摄氏度但它的压强高达3000亿个大气压。太阳的巨大质量产生极强的引力将核心的氢压缩到密度为水的150倍。在如此高的压强下库仑排斥力已被大部分克服氢原子核几乎贴在一起聚变反应可以缓慢而稳定地进行。而在地球上建造的可控核聚变装置等离子体密度比空气还要稀薄上万倍没有太阳那样的引力约束只能依靠磁场将等离子体悬浮在空中。在这样稀薄的环境下要让原子核有机会碰撞就只能靠提高温度来弥补——将温度提升到1.5亿摄氏度让氘核和氚核以每秒几十万米的速度高速运动用速度来弥补密度的不足。这不是人类要求高而是物理规律给定的价格。更进一步看要让这些比子弹还快几百倍的原子核在托卡马克的环形空间内有序运动磁场的强度必须达到10至15特斯拉大约是地球磁场的十万倍。这一磁场由包裹在装置外围、几米高、几十米周长的超导线圈产生。线圈的加工精度需控制在毫米级稍有偏差磁场分布就会失准等离子体便会撞击器壁。这远不是“造一块大磁铁”那么简单。这是一项将磁铁精度做到手表齿轮级别、并使其在强中子辐射、极端高温和巨大电磁力环境下稳定运行数十年的工程挑战。为了实现超导、以极小功率维持高强度磁场这些线圈必须在接近绝对零度的超低温下运行而一墙之隔的反应腔内等离子体温度高达1.5亿摄氏度。让磁体在“接近绝对零度”和“1.5亿摄氏度”之间的“冰火夹层”中长期稳定工作难度可想而知。三磁场笼子为何关不住“火球”等离子体并非温顺的气体而是由带电粒子组成的、具有高度非线性的复杂系统。所谓非线性意味着微小的扰动可能引发灾难性的后果。今天它运行平稳明天可能突然失控。这种“突然失控”在专业上称为等离子体破裂。这并非理论上的担忧而是每个托卡马克装置上都真实发生过的现象。破裂发生时整个等离子体在毫秒级时间内失去约束储存的所有热能像海啸一般冲向器壁。破坏程度有多大欧洲的JET装置在一次破裂中铍制第一壁被熔化了18克。熔化的金属在磁场中流动、飞溅在相邻瓦片之间形成了导电“桥梁”。另一装置上逃逸电子束在钨瓦片上挖出了一两毫米深的沟槽。一两毫米听起来不大但第一壁的厚度不过几厘米。而且这种损伤会累积。ITER即使安装了破裂缓解系统预计每年仍会发生几十到几百次破裂事件。缓解不等于消除95%的预测准确率意味着5%的失败率——对于数百亿美元的投资而言风险仍然很高。再看偏滤器。它的功能类似于炉子底部的“掏灰口”专门排出聚变产生的“灰烬”——氦。偏滤器承受的热负荷是所有部件中最高的。早期设计只能使用数小时后来换成钨并增加液锂涂层寿命延长到了几周。几周。一个商业电站的设计寿命是几十年如果每隔几周就要停机更换偏滤器电站的经济性将无从谈起。需要承认EAST在2025年实现的1066秒高约束模运行是一项了不起的工程成就在等离子体稳定性控制方面迈出了重要一步。但需要说明的是这一纪录是在氘-氘运行条件下完成的而非真正的氘-氚。氘-氚运行的中子通量高出约一个数量级带来的不稳定性、热负荷和材料损伤均更为严重。在真实的D-T燃烧环境下这些控制技术是否仍然有效目前还是一个尚未验证的问题。乐观的观点认为上述困难都是“老托卡马克”的问题。高温超导技术已使磁场强度翻倍、装置体积缩小了40倍AI实时控制正在让等离子体从“暴躁的野兽”变成“温顺的猫”。用五年前的技术来否定未来的可能是线性思维的误区。对此笔者的回应是高温超导和AI控制确实是真实且有价值的进展。装置体积缩小40倍意味着单位成本可能有数量级的下降——这的确是乐观派最有力的论据。但需要区分两件事缩小装置和解决中子问题是两码事。高温超导可以让托卡马克更紧凑但挡不住14兆电子伏特的中子。AI可以预测和缓解破裂但无法让偏滤器永远不换。这些进展解决了部分老问题但并未触及核心矛盾。所以磁约束的关键挑战不在于“能否实现聚变”而在于“能否稳定、长时间、经济地运行”。目前实验装置做到的最好成绩是在实验装置上跑几百秒的脉冲。这距离商业电站“连续运行数年”的要求还有巨大差距。四14兆电子伏特的中子击穿一切材料假设磁约束的问题有一天解决了等离子体能够稳定悬浮、不破裂、不抖动下一个问题便会浮出水面——一个更麻烦、更根本、甚至堪称“原罪”级别的问题。这个问题的名字叫中子。但这不是普通的中子。核裂变——即现有核电站采用的方式——放出的中子能量为1到2兆电子伏特。裂变的中子像高速弹珠能够打碎玻璃。而氘氚聚变放出的中子能量为14.1兆电子伏特是裂变中子的7到14倍——这不是弹珠而是穿甲弹。它能打穿材料将原子从晶格中硬生生撞飞。这种中子不受磁场约束。它不带电磁场对它无可奈何。它直直地冲出去一头撞上反应堆的“墙壁”——第一壁。这一撞带来两个后果。第一是物理破坏。中子像无数看不见的钢珠枪将原本整齐的晶格结构打得千疮百孔。材料出现空位缺陷、肿胀、脆化、开裂结构膨胀变形变得异常脆弱。第二个后果更为棘手。中子不仅打穿墙还可能被原子核捕获将稳定的原子转变为放射性同位素——这就是中子活化。原本没有放射性的第一壁在被中子轰击数年之后自身变成了一个强放射源。这意味着什么一个聚变堆运行数年之后整个内壁——几米高、几米宽的环形结构——全部具有强放射性。更换时无法靠近只能依靠远程遥控机器人退役后的材料必须按放射性废物标准处理深埋数百年甚至上千年。这就是为什么这看起来像一个“原罪”级别的问题。目前没有任何材料显示出能够在14兆电子伏特中子的长期轰击下保持性能的迹象。这是基于现有材料科学知识的合理推断——不排除未来出现颠覆性突破的可能但从目前的研究进展来看这种可能性极低。乐观的观点反驳说将中子视为“原罪”是守旧的裂变思维。中子不是敌人而是资源——聚变释放的能量约有80%由中子携带没有这些“穿甲弹”拿什么烧开水发电而且谁说一定要用固态材料液态金属第一壁正在开发中。流动的液体不怕轰击能够自我修复还能顺便带走热量和氚理论上是一个非常聪明的思路。笔者的回应是液态金属第一壁确实理论上有吸引力但它也带来了一堆工程难题。液态金属在强磁场中会产生巨大的磁流体动力学阻力消耗大量泵送功率液锂与等离子体的相互作用可能引入新的杂质破坏等离子体纯净度氚在液态金属中的提取、提纯和密封极为困难几乎等于“在放射性液体里做高纯度分离”更关键的是液态金属本身与超导磁场之间还存在非线性耦合会扰动磁场分布增加约束等离子体的难度。这些问题不是“原则上不可能解决”但“目前没有任何工程方案显示可以在商业规模上经济地运行”。这条路不是走不通而是目前仍停留在实验室概念阶段距离商用电站还有很长的路要走。乐观派还会提出已有纳米晶钨材料能够承受100 DPA的辐照损伤。DPA是衡量辐照损伤的单位100确实是个漂亮的数字。但问题是这个数据大多是在裂变堆中测得的。裂变中子的能谱与聚变中子不同破坏模式也不一样。在裂变堆中表现优异的材料在聚变中子环境下可能迅速失效。这是材料学界公开的秘密只是很少出现在新闻中。即使材料真的扛住了经济账也还需要算一算。假设第一壁每四年更换一次期间大修三个月。这三个月损失的发电收入加上材料成本和机器人维护费用总成本可能超过2亿美元。仅此一项每度电成本就要增加大约0.5美分。听起来不多但2026年光伏的度电成本已经降到了2到3美分。也就是说聚变还没开始发电仅大修一项就已经比别人贵了20%。而且这还没算上废弃的第一壁、偏滤器、输运管道等各种强辐射性材料的处理难度。这些部件在运行几年后自身就变成了高放射性废物拆除、运输、处理和长期封存的每一个环节都极为复杂且昂贵。把这笔“隐形账”也加进去聚变的“燃料免费”优势就被中子和辐射、维修和废物处理一点点消磨光了。而这还只是第一壁。偏滤器更换更频繁氚工厂持续消耗能量超导磁体的制冷系统也要耗电。每一笔都要算进去。聚变不是“燃料免费”就万事大吉了它的运营成本是刚性的、硬性的、由物理规律强加的。五氚自持燃料从哪来材料问题已经够让人头疼了还有一个更隐蔽、更致命的问题——燃料。如前所述氚几乎不存在于自然界。全球现有氚库存大约二三十公斤主要来自加拿大重水堆的副产物。一座1吉瓦的聚变电站每年要消耗约50到100公斤氚。也就是说把全世界的氚搜刮过来只够一座电站烧几个月。这听起来像是“全球清仓只够一家试点”而不是什么“能源大礼包”。因此任何认真的聚变堆设计都必须实现“氚自持”——自己生产氚。生产方法是利用中子轰击锂-6。理论没有问题但工程上是噩梦。需要在反应堆中设计一个“产氚包层”包围在等离子体外面让中子穿过时被锂-6捕获。这个包层要同时完成好几项任务产氚、导热、承受中子辐照还不能干扰等离子体。设计难度不亚于托卡马克本身。更麻烦的是生产出来的氚需要从包层中提取。由于氚原子很小渗透性极强几乎能钻进任何金属晶格几乎没有材料能完全挡住它另一方面它的半衰期是12.3年意味着它是强放射性物质即使微量泄漏也会造成显著的放射性污染。因此氚工厂的设计标准是“绝对不能漏”而不是“尽量少漏”。有观点认为已经制造了测试包层模块在裂变堆中测得的氚增殖比TBR达到1.15。这意味着每个中子能生产1.15个氚原子理论上可以实现自持。这是一个真实的实验数据不可否认。但问题在于这个测试是在裂变中子谱下进行的而非真实的14兆电子伏特聚变中子环境。部分中子学模拟显示在真实环境下TBR可能降至0.9甚至更低。如果真是这样意味着入不敷出电站几年后就会熄火。ITER的氚增殖测试原计划在2020年代进行现已推迟到2030年代中期说明这一问题的难度被严重低估了。即使TBR达标氚的提取、纯化、储存、运输每一个环节都极为昂贵。自持不是免费的——产氚包层、提取系统、储存设施都需要花钱建造和维护而且它们自身也要耗能。一座1吉瓦的聚变电站实际能卖给电网的可能只有700兆瓦。这笔账算到最后聚变的“燃料免费”优势在氚这个环节被大大削弱了。六能量回报率7到12比1经济账算不过来还有一座山需要翻越——能量回报率EROI。这个概念不复杂花一度电的能量去建一个电站这个电站一辈子能发多少度电比值越高越划算。光伏的EROI早期只有2比1现在达到了10到20比1。风能是20到30比1。裂变是50到100比1。聚变堆是多少没有人知道确切数字因为没有聚变电站完整运行过一个生命周期。但基于现有知识可以做一个合理估算。氚工厂要吃掉发电量的10%到20%超导磁体的制冷系统要吃掉5%到15%加上大修的停机损失一个比较现实的EROI估算区间是7到12比1。这是一个估算区间不是精确数值业内对此有不同看法但大致范围是公认的。7比1是什么概念在能源经济学中一般认为一个能源系统的EROI至少需要达到7比1才能支撑一个工业文明。7比1左右勉强及格但与光伏的10到20比1、裂变的50到100比1相比差距明显。直接比较价格更为直观。2026年光伏的度电成本已经降到2到3美分。这是市场数据是事实。聚变呢没有人给出过一个让学术界信服的成本估算。但可以做一个粗略的反向推算ITER花了300亿美元建了一个不发电的实验装置第一座示范堆DEMO的造价只会更高可能在500亿到1000亿美元之间。假设它发1吉瓦的电每年发电收入约4.38亿美元。要收回500亿美元的投资需要114年——而电站的设计寿命可能只有40年。当然这个推算非常粗糙因为它假设成本不会下降。有人会说学习曲线会让成本降下来。第一座贵第十座就便宜了。这个逻辑在光伏上确实成立——光伏的本质是硅片加玻璃加铝框可以流水线生产。但聚变的本质是定制化的巨型工程每个站点都要重新审批、重新建造。裂变堆的历史已经证明了这一点美国核电的度电成本在过去五十年里不是下降而是上升了。聚变是否会成为例外可能性很低。七其他技术路线私营、激光与质子硼Helion与私营聚变以眼下最火的私营聚变公司Helion为例。该公司融资超过10亿美元宣称2028年向微软供电。其方案采用氘-氦三聚变声称中子减少90%、可以直接将能量转换为电、装置只有沙漏那么大。但挑战同样不小。第一氦-3从哪来地球上几乎没有。该公司计划通过氘-氘副反应自行生产但目前产量为每吉瓦年产量仅10克级别而商业堆需要公斤级缺口达五六个数量级。第二点火温度需5到7亿摄氏度比氘氚聚变难约50倍。宣称的Q1数据至今未公开验证科学界无法判断真伪。第三脉冲损耗。Helion的装置每秒要膨胀收缩数次磁体疲劳、陶瓷材料微裂纹等长期可靠性问题存疑。第四经济账。虽然装置变小了但特种材料、脉冲储能系统、超导磁体的单价都不便宜小型化不等于低成本。并非说Helion是骗局。该公司的工程师很聪明技术也有独到之处。但从实验室到电网他们面前依然隔着工程和经济两座大山而且这两座山的高度不比托卡马克的低。激光、质子硼与其他路线激光聚变方面美国国家点火装置NIF在2022年实现了Q1确实是一个大新闻。但需要搞清楚这个Q的含义它只计算激光打到靶丸的那点能量完全忽略了外部电网提供的300兆瓦电能。真实的能量转换效率只有0.67%。这不是“净增益”而是巨大的净亏损。这个0.67%是NIF公开的数据是事实不是估算。再看点火频率每天不到一次。一个商业激光聚变电站需要每秒点火十到二十次连续运行数十年。这意味着激光器本身会成为瓶颈。NIF的光学元件每次打靶后都有损伤需要人工检查和更换。将这一流程自动化、高频化难度不亚于托卡马克的材料问题。质子-硼聚变理论上没有中子问题听起来完美。但代价是什么点火温度需要30到60亿摄氏度。在这种温度下等离子体自身的辐射损失会超过聚变释放的能量。最新的理论研究表明在现实条件下质子-硼聚变极大概率无法自持——想点火它自己就会熄灭。这是基于等离子体物理学的理论推断尚未经过实验验证但这一理论相当成熟。八风险投资逻辑与物理规律为什么明明这么难还有那么多资金涌入因为风险投资的逻辑与物理逻辑不是一回事。风投的逻辑是投十个项目九个归零一个赚一百倍整体就赚了。在这个逻辑下只要聚变“有可能”成功——哪怕概率不高——就值得下注。因为一旦成功回报是整个能源市场的万亿级别。这不是因为他们“不懂”而是他们在赌一个极端的收益分布。但物理规律不会因为投资多少而改变。14兆电子伏特的中子就是会破坏材料氚就是会渗透、会泄漏。不能用钱买通物理定律。更重要的是风投的资金有退出期限。一只基金的周期通常是十年。十年后他们要连本带利将钱还给投资人。而聚变呢十年后ITER还在调试DEMO尚未开工商业化更是遥远。因此这些私营聚变公司必须讲述一个“五年并网”的故事否则没有人愿意投资。这就导致了信息不对称的泛滥。很多投资者——甚至不少理工科出身的人——并不真正理解14兆电子伏特中子与1兆电子伏特中子的区别也不了解氚自持的工程难度。他们听到“净能量增益”就觉得胜利在望听到“高温超导”就觉得体积缩小40倍、成本降到十分之一。并非他们愚笨而是聚变的专业门槛确实很高而商业计划书又倾向于讲述最乐观的故事。九科学探索继续商业应用还需等待个人投资就算了吧“可控核聚变还是算了吧”——这句话是针对“你家的电”和“你口袋里的钱”说的而不是要对基础科学研究泼冷水。可控核聚变是一项了不起的科学探索。它值得继续研究值得投入资源。ITER、EAST这些大科学装置承载着人类对物理极限的好奇与挑战。这种探索本身就是有价值的哪怕它永远不赚钱。但是如果问题是“能否指望聚变来解决能源问题”答案极大概率是否定的。聚变是值得国家长期投入的科研工程但不是普通人该拿钱去赌的“下一个风口”。我们且不否认它在理论上可能实现但即便它最终真的能被造出来在可预见的未来——至少五十年甚至更长的尺度上——它也极不可能成为经济上可行的能源我个人甚至怀疑它永远都无法真正实现。物理上的材料损伤、工程上的氚自持与远程维护、经济上的低EROI和高昂的度电成本共同构成了难以逾越的障碍。当然这些困难有可能在未来被非线性突破所化解。比如高温超导磁体让装置体积缩小十倍AI辅助材料筛选发现全新的抗辐照材料某个意想不到的物理机制被揭示——那么整个局面可能会改变。这些可能性确实存在。科学史上也有过这样的例子。但这些“如果”同时成立的概率极低低到不值得作为能源政策的依据。这不是悲观而是基于当前证据的概率判断。更重要的是我们等不起。气候变化不会等待五十年。当前已有可用的低碳能源光伏、风能、储能成本已经降到比煤电还低。第四代核裂变也在加速推进十年内就能看到商业示范堆。这些技术不完美但它们现在就能用而且越来越便宜。把现实的选择放在一边将赌注押在一个“永远还有五十年”的梦想上这不是理性而是浪漫主义。浪漫主义本身是好的但用在能源政策上可能会误事。十现实的替代方案最后说点实在的。与其等待聚变五十年不如将资源投向当前即可使用的技术。光伏2026年全球平均度电成本已降至约0.2元人民币低于煤电。装上就能发电没有氚泄漏风险没有大修停机损失。第四代核裂变中国的CFR-600快堆已经并网发电铀资源利用率提高60倍核废料大幅减少。这不是概念设计而是正在运行的机组。储能成本以每年10%到15%的速度下降。光伏加储能的组合已经在越来越多的地区实现24小时清洁供电。欧洲多国正在实现高比例可再生能源供电德国2023年可再生能源发电占比已超过50%。这些技术或许不够“酷”没有“人造太阳”那样响亮的名字但它们正在实实在在地改变全球能源结构。聚变科研值得继续支持但不应对其商业化抱有不切实际的期望。下次再看到“聚变即将改变世界”的新闻时不妨关注一下是否有人悄悄跳过了氚的问题是否有人用氘-氘运行的数据来宣传氘-氚的成果是否有人将一个实验装置的“概念设计”当作“商业样机”来融资可控核聚变——让它继续在实验室里发展是值得的。但指望它在当代人的时间内解决能源问题大概率是不现实的。至于科幻电影里的聚变引擎——让它继续留在银幕上也挺好。但指望它带我们去火星至少这个世纪大概率是上不了船的。张慧敏山西大学理论物理硕士日本富山大学工学博士美国圣路易斯华盛顿大学博士后。主要从事广义相对论方面的数值摸拟包括黑洞中子星碰撞过程及由此辐射引力波等方面的研究。苇草智酷简介——苇草智酷全称北京苇草智酷科技文化有限公司是一家思想者社群组织。通过各种形式的沙龙、对话、培训、丛书编撰、论坛合作、专题咨询、音视频内容生产、国内外学术交流活动以及每年一度的苇草思想者大会原名互联网思想者大会苇草智酷致力于广泛联系和连接科技前沿、应用实践、艺术人文等领域的学术团体和个人促成更多有意愿、有能力、有造诣的同道成为智酷社区的成员共同交流思想启迪智慧重塑认知。好文推荐张慧敏 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