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  一滴海水，就可以发电，且不冒烟、不烧煤，安全可靠——这种常见于科幻作品的终极能源“可控核聚变”正在加速进入现实世界。

  近日，有媒体消息称，中国聚变能源有限公司（下简称“聚变能源”）将在上海建设一座全新的核聚变实验装置，用以在真实工况下验证其研制的“高温超导”磁体，暂命名为“中国环流四号（HL-4/HL-2M）”。

  对于可控核聚变领域来说，这不单单是一次技术测试，更像是一场验证“未来能源”的压力测试。

  现有核电站采用的是核裂变技术，是在较重原子核分裂为较轻原子核过程中获得能量；而核聚变反其道而行之，将较轻原子核聚合为更重的原子核，模拟包括太阳在内的宇宙恒星以核聚变原理发光发热。

  “万物生长靠太阳”，近年来，从上海、安徽合肥到河北廊坊等地，类似的“人造太阳”实验装置正被一个个建造起来。

  “环流”系列其实是核聚变界的“老牌选手”，始于20世纪70年代末，起初以“HL”作为代号。中国“环流器一号装置（HL－1）”就是由中核集团核工业西南物理研究院（下称西物院）自主设计、建造和运行，主要验证基础物理，其实验结果达到了同类型同规模装置的领先水平，是我国核聚变研究史上的重要里程碑。

  这个总部在成都市的西物院，不仅是国内最早致力于可控核聚变和等离子体物理研究的“国家队”，还是中国参与国际热核聚变实验堆（ITER）计划的重要支撑方。

  之后，为促进我国核聚变研究事业的加快速度进行发展，托卡马克（Tokamak）聚变实验研究装置“环流二号（HL-2A）”于2002年年底完成。“环流二号”同样在西物院运行，目前已经能长时间稳定产生上百万安培等离子体电流，是国内聚变研究的重要平台，为我国下一步聚变堆研究与发展提供技术基础。

  同样由西物院自主设计、建造和运行的“环流三号”，则于2020年建成，是目前我国顶级规模、参数最高的托卡马克装置。装置总高8.39米，直径8米，等离子体离子温度可达1.5亿摄氏度，更接近国际先进水平。

  “环流三号”在今年5月曾创下中国聚变装置运行新纪录——同时实现等离子体电流100万安培、离子温度1亿摄氏度、高约束模式运行，综合参数“聚变三乘积”再创新高，达到10的20次方量级。

  聚变反应条件苛刻，业内素有“聚变三乘积”的说法，即等离子体的温度、密度和约束时间三者乘积，要达到一定值才能实现自给自足。

  就像我们汤要煮得好喝，需要火够旺（温度）、锅里料够足（密度），还要煮得够久（时间），三者缺一不可。聚变三乘积越大，聚变反应越可能发生。

  将等离子体加热到上亿摄氏度，并用一个无形的“磁笼”将其牢牢约束，时间还要越长越好，这何其艰难？直到“高温超导”材料技术迎来突破。

  要理解“高温超导”材料对于可控核聚变事业的革命性作用，首先要明白传统核聚变的“阿喀琉斯之踵”在哪。

  在自然界中，最容易实现聚变反应的是氢的两种同位素，即氘与氚，分别比氢多一个中子和两个中子，聚变之后产生氦和一个中子。

  太阳之所以能不断聚变发热，是因其具备高温和高压两大条件，而在地球上模拟太阳环境谈何容易？氢弹的氘氚聚变都须由附带的引爆。

  可控核聚变要么通过压缩聚变燃料至极高密度来实现，即惯性约束路线；要么将燃料加热至上亿摄氏度高温，形成等离子体气体，从而发生聚变反应，即磁约束路线。和西物院有着千丝万缕联系的聚变能源，就是以磁约束托卡马克为技术路线亿摄氏度，这大约是太阳表面温度的2万倍，地球上哪有材料能经受得起这种高温？所以目前主流的托卡马克装置，都是用强大的环形磁场作为约束等离子体的“笼子”。磁场越强，笼子越牢，聚变反应效率越高。

  托卡马克装置状似甜甜圈，它用磁场将带电的等离子体全部约束在环形真空室的中心，使其始终与反应堆壁隔开，从而确保容器不被熔化。最后，容器里循环的冷却水系统将带走聚变反应产生的热量，并用于发电。

  作为当下最成熟的聚变堆设计的具体方案，托卡马克装置均使用低温超导材料来产生强磁场。所谓超导，是指在一定条件下电阻等于零，电流可在其间无损流动的现象。

  使用传统低温超导体的好处在于，电流通过超导线圈不会发热，能增加聚变的反应时间；缺点则是它本身要依赖于庞大的制冷和散热设备，导致整个设备有着天价制造维护成本和体积。

  这里有一个知识点：托卡马克的输出功率与磁体磁场强度的四次方成正比，并与体积的一次方成正比。这在某种程度上预示着，磁场越强，容器体积可以做得越小，大幅度降低了建造成本，更重要的是技术迭代周期大大缩短。

  相对传统低温超导所需要的-269℃的极低温度，“高温”超导，如钇钡铜氧只需-196℃就够了。

  你可能没办法想象-269℃的环境有多“苛刻”，这几乎等同于宇宙深空的温度，需要用液氦来维持它，代价极高；而新一代的高温超导材料，仅需成本不足液氦几十分之一的液氮就能实现超导状态。

  更强的磁场、更小的体积以及更高的效率，让以往动辄几百亿美元的可控核聚变项目变成上百亿块钱就能看到一定成果的项目。

  环流四号将是我国核聚变科研的一个里程碑，因为它首次用工程可行性证明，困扰人类数十年的可控核聚变商业化，不再是遥远的理论构想。一场关乎能源格局重构的革命，正从实验室走向产业赛场。

  上文提到了一个关键项目“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”，它实际上集成了国际上受控磁约束核聚变的主要科学和技术成果，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，是全球顶级规模、影响最深远的国际科研合作项目之一。

  2006年5月，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。次年，ITER计划正式生效并进入实施阶段。

  我国自加入ITER计划后，始终致力于通过深度参与装置建造与运行，系统学习先进的技术、培养核心人才，这为后续突破奠定了坚实基础。

  近年来，关键成果开始密集落地。2023年，中核集团牵头完成ITER托卡马克主机安装第一阶段核心任务（TAC1标段），这是中国核能单位首次以工程总承包模式成功参与国际大科学工程商业项目；2024年，核工业西南物理研究院研发的ITER增强热负荷型第一壁部件，不仅攻克了关键工艺难题，还在性能方面超出了ITER标准，使我国成为首个通过国际认证的成员国。

  2013年，上海超导成功攻克了稳定量产第二代高温超导带材过程中的各种技术难点，自主建成了国内首条公里级生产线，打破了国外垄断。

  该带材是制造高性能高温超导磁体的核心核心部件，其量产能力直接为托卡马克等重大装备的磁体升级扫清了“原材料卡脖子”障碍。既然我们已了解高温超导磁体能提供更强、更稳定的约束磁场，并使托卡马克小型化，更必须要知道关键材料量产的意义。

  依托高温超导磁体的“减配增效”，“环流四号”才有机会在磁力密度、低温系统稳定性上实现跃升，推动高参数运行和低成本维护，使我国有望成为首个将高温超导技术落地大型聚变装置的国家。

  在技术研发成果的基础上，我国依托“走稳热堆、走实快堆、走好聚变堆”的“三步走”战略，逐步构建起完整的核聚变研发体系，摆脱了科研单点突破的局限。

  科研领域的突破，带来了核聚变产业化的曙光。最直观的变化是，慢慢的变多的勇于探索商业模式的公司开始涌现，供需两端的双重驱动逐渐形成良性循环。

  在过去，聚变装置动辄需要占用数十亩土地、投资上百亿元，仅靠国家科研经费难以推进产业化，而高温超导技术让小型化聚变装置成为可能。例如，深圳星环聚能研发的商业级托卡马克，体积仅为“环流三号”的1/3，目标是2030年前建成100兆瓦级示范堆，成本控制在传统装置的1/5。这种可落地、可复制的特性，让业界看到了核聚变发电站的商业前景。

  深圳星环聚能研发的亥姆霍兹线圈测试平台，亥姆霍兹线圈是实验常用的器件，能够测量出由于永磁体转动所产生磁通量的变化

  据国际能源署（IEA）预测，到2050年，全球电力需求将较当前翻倍，达50万亿千瓦时。尤其是AI领域崛起后，算力需求大幅扩张，数据中心的建设加剧了电力资源的紧缺。而比起化石能源须面对的减排压力与可再次生产的能源的间歇性短板（即太阳能和风能等自然资源依赖气象因素，波动性较大），零碳、连续、高密度的核聚变成为最优解。

  例如，英国Tokamak Energy计划在2026年完成建造ST80-HTS原型聚变装置，这将是世界上第一个大规模使用高温超导磁体的高场球形托卡马克。ST80-HTS旨在展示交付商业聚变能源所需的多种技术，并为ST-E1聚变试验工厂的设计提供信息。

  美国核聚变企业Commonwealth Fusion Systems（CFS，麻省理工学院的衍生公司）于今年6月宣布与谷歌建立战略合作伙伴关系，并签署200MW商业化供电协议，这也是目前为止顶级规模的核聚变商业供电协议。

  面对全球竞争，国内创业力量也在快速响应：除星环聚能外，新奥集团旗下的新奥聚变已完成数亿元融资，目标在2035年建成聚变示范堆，剑指氢硼聚变商业化——这一些企业逐渐与中国科学院等离子体所、中核集团等形成产学研协同，推动核聚变产业转向“国家队+市场”的双轮驱动。

  研发机构通过招投标购置核聚变设施所需设备和上游原材料等方式，带动产业链上的企业未来的发展；民间的跨界创新者则将产业资源与技术结合，在成本控制、模块化设计、应用场景探索等方面发力，填补商业化落地的细分空白。

  总体来看，我国在技术方面已成功跻身全球核聚变第一梯队，但在资本和市场端仍与国际领先水平存在一定差距。

  具体而言，美国CFS单轮融资达18亿美元，微软、谷歌等科技巨头更是提前与CFS签订核聚变供电协议，形成“资本—技术—应用”的闭环。而国内核聚变创业公司的融资多集中在亿元级，且尚未出现应用端提前布局者。

  不过，这一差距正在逐渐缩小。目前，我国已明确将核聚变纳入“十四五”能源科技重点专项，环流四号的技术成果也正通过产学研合作向企业转移。国家原子能机构于去年年底发布的《核技术应用产业高水平发展三年行动方案（2024—2026年）》提出，到2026年，力争核技术应用产业年直接经济产值达4000亿元。

  《核技术应用产业高水平发展三年行动方案（2024-2026年）》提出的目标与ITER时代“科研优先”的导向不同，如今行业竞争焦点已转向商业化布局，是事关科研转化效率、资本投入强度与市场响应速度的综合比拼。

  未来十年是核聚变从实验室走向示范堆的关键窗口期，若最终实现商业化，人类将迎来能源无限供给的新纪元。这在某种程度上预示着，谁能率先叩响这扇门，谁就将主导下一个百年的能源格局。显然，“环流四号”只是一个缩影，彰显出我国核聚变产业已准备好，迎接这场决定未来的挑战。

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