核能——人类的终极能源

2021年10月中旬，我来到山东省威海市荣成石岛湾，参观正在建设中的国和一号大型先进非能动压水堆核电站（CAP1400）示范工程。建设工地位于一个三面环海的半岛之上，核电站的主体部分已经封顶，看上去有10层楼那么高。楼顶还扣着一个直径大约40米的半球形安全壳，据说里面衬着一层厚达5厘米的钢板，足以抵御大型商用飞机的撞击。

我前一天刚刚在山东海阳参观了国和一号的“小弟弟”AP1000（先进非能动1000兆瓦）核电站，知道这个安全壳的上面应该还有一顶“帽子”，便四处张望，果然在不远处的一块空地上找到了它。这顶“礼帽”其实是一个大水箱，已经组装完毕，到时将被直接吊装到安全壳的上方。这是非能动核电站最具标志性的设计之一，遇到紧急情况时，水箱里的水会自动喷洒下来为球壳降温。大家千万别小看这个设计，如果日本福岛核电站有这顶“帽子”的话，就不会出那么大的事故了。

一提到核电站，很多人首先想到的就是核事故，甚至还有一些人把核事故和原子弹联系在一起，这实在是大错特错。不过，核电技术的进步速度一直不够快，这也是不争的事实。如今全球大部分在运核电站采用的仍然是美国海军在上世纪50年代初期专为核潜艇开发出来的压水堆技术，只是在细节上做了一些改进。

核能研究起源于军事需求，这是毋庸置疑的。一种物质的能量密度越大，其危险性往往也就越高，所以军工技术追求的同样是能量密度的不断提升。核能是自然界能量密度最大的能源形式，1克铀-235裂变之后释放出来的能量相当于2.7吨标准煤，难怪大家都怕原子弹。

原子弹的科学基础是链式反应，解释起来并不复杂。一个铀-235原子核被一个中子轰击后会裂变成钡和氪，同时释放出2～3个中子。反应前后的质量差会转变成巨大的能量，其原理就是爱因斯坦著名的质能公式E=MC2。新产生的中子如果再撞到铀-235原子核又会引发更多的核裂变，释放出更多的中子和能量，这就是链式反应。但是，要想让链式反应在很短的时间内自发完成，从而引发一次大爆炸，铀-235的浓度必须达到90%以上才行。自然界的铀大都是不易裂变的铀-238，铀-235只占0.7%左右，必须先用某种高科技手段（比如高速离心机）将其提纯出来。所幸这项技术极其复杂，对一个国家的工程实力和综合国力都提出了很高的要求，所以只有少数国家具备制造原子弹的能力。

如果把铀-235的浓度降低到百分之几的水平，再和一些能够吸收中子的材料混在一起，那么链式反应的速度就可以被控制住了，产生的热量可以用来烧水产生蒸汽，带动涡轮机发电。我在海阳核电站的展厅里看到了核燃料棒的复制品，这是用锆合金制成的一根细长管子，长4米多，直径只有大约1厘米左右，里面塞满了橡皮擦大小的二氧化铀燃料块，其中铀-235的含量约为5%左右。264根燃料棒外加24根同样大小的控制棒，以及放置在中间的一根堆芯测量棒（负责测温）组成一个燃料组件单元，按照17×17的格式排列成一根高4.8米、横截面为0.2米×0.2米的方形柱子。反应堆内一共有157个这样的燃料组件，它们被浸泡在盛满水的压力容器当中，容器中的水不但起到冷却作用，而且充当了中子的慢化剂，因为速度太快的中子很难击中铀原子核。每个燃料组件当中的那24根控制棒的作用就是吸收多余的中子，控制棒插得越深，吸收的中子就越多，反应的速率也就越慢。

“控制棒是由非能动系统来控制的，无需外力就能凭借自身重量直插到底，从而把核反应停掉。”上海核工程研究设计院（简称核工院）前院长郑明光对我说，“但因为铀-235裂变后产生的物质依然具有很强的放射性，所以反应堆停下来之后还是会持续地产生余热，使反应堆升温。燃料棒外壳里的锆合金能耐辐射但不耐高温，600～800℃时会和水发生反应，生成二氧化锆和氢气，后者与外界氧气接触有可能会爆炸。如果温度上升到1200℃以上的话，锆合金就会全部烧光，其结果就是堆芯熔化，全世界所有的核电站事故几乎都是这么发生的。”

郑明光是国和一号的总设计师，他在上海核工院的办公室里和我聊了两个多小时，详细解释了非能动核电站的工作原理。简单来说，核电站的安全维护需要达成三大目标，即反应堆停得下来，余热散得出去，以及放射性物质不扩散到环境中。第一个目标靠非能动的控制棒来实现，迄今为止从没出过问题。第三个目标靠结实的安全壳来实现，以前的核电站不重视这一点，但新建的第三代核电站在这方面做了改进，即使堆芯熔化也能控制得住。

最难解决的是第二个目标，即如何为反应堆降温，迄今为止已发生过的3次重大核事故全都是因为这个目标没有实现而导致的。目前大部分核电站靠水来降温，所谓能动技术就是用水泵把低处水池里的水打到高处的反应堆里面去，把热量置换出来。但能动系统需要依靠柴油发动机来提供抽水的动力，万一发动机出了故障就没用了。以前的解决办法就是增加能动设备的数量，从一开始的2套独立系统增加到现在的4套，相当于加了3倍保险。这样的设计保证了任何单一性质的系统故障都不会影响核电站的安全，但却无法应对超出设计基准的偶发事件。比如福岛事故就是因为柴油发动机所处的地方海拔只有10米，结果被15米高的海啸弄坏了，导致所有需要动力的降温设备全部失效，最终酿成惨祸。

相比之下，非能动技术利用地球引力作为动力，不需要人为提供额外的动力源，不但设备简化了，安全性也有了很大提高。比如国和一号核电站的水箱放在了安全壳的顶上，万一出事的话水可以自动淋下来为球壳降温。不但如此，国和一号的所有放射性装置全都被包裹在安全壳内，即使堆芯熔化了，放射性物质也不会扩散到环境中去。而这个钢制的安全壳既是安全容器又是散热器，随着壳内温度的升高，换热效率也会不断增加，这就相当于一个负反馈系统，进一步增加了反应堆的散热能力。

“国和一号不但能抗十级地震，也能抵抗类似福岛这样的海啸。”郑明光对我说，“为了防止操作失误，所有的非能动安全设备均可自行启动，而且可以在没有人为干预的情况下安全运行72个小时。相比之下，如果没有外部援助的话，能动系统即使有人干预也不可能坚持那么长的时间，因为一般核电站保存的柴油只够烧30分钟。”

国和一号和海阳核电站采用的非能动系统都属于第三代核技术，安全性至少比二代技术提高了100倍。但目前全世界441个在运核电站中的绝大部分用的还都是二代技术，部分原因在于核电站投资巨大，设计寿命又都很长，没法轻易更换。

所谓第X代核技术是一个比较笼统的说法。一般认为第一代核电站是上世纪50年代在英美苏法等国建造的实验堆，主要目的就是做实验，如今已经全部报废了。第二代核电站是从60年代初期开始建造的商业电站，因为发电成本低廉而备受重视。当时各国政府的宣传口号是“核电不用电表”，意思是说将来核电会便宜到根本无需计价，大家敞开了用就行了。

1979年在美国三哩岛发生的核事故给了核电从业者当头一棒，促使在此之后建造的核电站全都在安全方面做了改进，以避免类似的事故再次发生，这批核电站被称为二代+。但其实那次事故是由于工作人员操作不当造成的，属于典型的人祸，而且事故仅仅造成了部分堆芯熔化，没有人员死亡，核电站也被保住了。只不过后续清理工作耗资巨大，对民众心理造成的负面影响更是难以估量。

没想到，7年之后又发生了一次更严重的核事故，这就是大名鼎鼎的切尔诺贝利。具有讽刺意味的是，那次事故的起因竟然是站方为了提高核电站的安全性而做的一次内部实验，由于技术人员各种匪夷所思的操作失误而导致堆芯熔化，再加上核电站为了偷工减料而没有建造保护壳，大量放射性物质扩散到了环境之中。更糟的是，因为一些政治原因，事故发生后的处理过程也极不专业，造成了很多不必要的损失。

切尔诺贝利把自三哩岛开始的国际反核运动推向了高潮，可以说是以一己之力让全球核电产业停滞了将近20年。但很多反核宣传歪曲了事实，严重误导了民众。比如，有人故意将切尔诺贝利发生的事故描述成核爆炸，但实际上反应堆只发生了两次因高温蒸汽而导致的常规爆炸，其中规模较大的第二次爆炸只相当于10吨TNT当量。

再比如，有个别极端环保组织宣称该事故导致8万人死亡，十几万人患了放射病。但据联合国原子辐射效应委员会（UNSCEAR）主导的为期30年的调查结果显示，事故导致了28名工作人员和消防人员当场死亡，另有15名近距离接触者几天后死于急性甲状腺癌。但在此后的30年时间里，整个受影响地区的癌症发病率和死亡率均没有发生显著变化，甚至包括数千名当年亲身参与了现场清理工作的人员在内。

当然了，切尔诺贝利核事故毫无疑问是一场人道灾难。除了造成40多人直接死亡、数千人患病之外，还有11.5万人被迫离开了家园，经济损失惨重。另外，此次核事故对受灾民众造成的心理创伤同样是无法忽视的，这种创伤很难被精确地测量出来，但其影响很可能延续得更久，危害也更大。而一些媒体对核事故危害的夸张报道加重了民众对核能的恐慌情绪，反而不利于消解这种心理创伤。

切尔诺贝利灾难迫使核电产业再次提高了安全等级，第三代核技术应运而生，其中美国西屋电器公司开发的AP600和法国阿海珐（AREVA）公司开发的“欧洲压水堆”（EPR）是其中比较有代表性的两个。这两项技术均在20世纪末期完成了最终的设计，核工业界准备借机大干一番，打个翻身仗。

就在这个节骨眼上，发生了日本福岛核事故，全球核电行业再次被迫按下了暂停键。导致福岛核事故的日本“3·11”大地震以及随后发生的海啸直接杀死了至少1.6万人，但迄今为止还没有任何一个人直接死于核事故，只是核电站周边15万人被迫离开了家园而已，但事后关于福岛核事故的媒体报道铺天盖地，关于地震和海啸的报道相较而言变得不太引人注意。究其原因，一是极端环保组织的夸大宣传起了效果，二是人类的天性使然。人类从来都是对自己看不见摸不着的陌生事物感到最害怕，这是写在我们基因里的一种本能，从早年间的反交流电到现在的反核反疫苗反转基因等等莫不如此。

人类的自私本性也起到了很大作用，导致大家都不希望把任何涉及公共安全的设施（比如垃圾处理厂、高压变电站、通讯基站、化工厂和核电站等等）建在自家后院，让别人去承担可能的风险，即使这种风险出现的概率非常小。目前流行于西方的“邻避运动”就是这种自私本性的集中体现，严重影响了西方社会的能源转型进程。

但是，近几年媒体和公众对气候变化的担忧也是越来越大，核能因其低碳特征而重新引起了大家的重视，不少环保组织开始呼吁复兴核电，以此来代替化石能源。与此同时，反核的声浪也越来越高，理由是核电成本太高，工期也太长，很难指望得上，不如把有限的资金放在风光等可再生能源上。

这些指责有道理吗？我走进了国和一号施工现场的监管中心，想看一看核电到底靠不靠得住。

出于安全原因，国和一号的施工现场只能远观无法近看，但我却在监管中心的大屏幕上看到了现场的所有细节，原来这就是施工方引以为豪的“智慧工地”。遍布施工现场的摄像头将视频信号实时传回控制中心，监管人员可以通过操纵这些摄像头，在大屏幕上随时监控每一个角落里的每一个施工细节，并通过站内广播随时提醒工人可能出现的操作失误。

远在千里之外的上海也有一个几乎一模一样的监管中心，这就是国和一号的主设计方上海核工院利用“数字孪生”技术搭建的数字化协同设计平台。核电站所有的装备和组件在这里都有一个三维的数码拷贝，设计人员可以头戴虚拟现实（VR）设备模拟现场操作过程，优化产品设计。工人们也可以利用VR设备进行培训，以便尽快适应现场的施工环境，提高工程质量。

核电行业对安全生产的执着程度，真的是远超其他任何行业。

“核电站的设计思路是高度保守的，60%以上的安全投资很可能在核电站60年预期寿命期间一次都用不上。”上海核安全审评中心副主任郑毅斌对我说，“核电站的施工安全同样是按照最高标准来要求的，每一道工序完成后都要由国家质检部门进行现场验收，检验合格后才能继续往下做。”

因为核电的特殊性，对质量要求高是完全可以理解的。但这么做的结果就是大大提高了核电站的建设成本，拉长了建设周期。问题在于，这个世界上没有绝对的安全，保险系数究竟要达到多高才算合理呢？这就取决于各方博弈的结果了。对于核电站来说，反核人士越是宣传核电的危害，公众对核电的恐惧就越深，核电企业投资在安全上的钱就越多，核电的商业竞争力也就越弱，公众就越不看好核电的未来，反核人士的宣传听上去也就越有道理……一个闭环就这样形成了。

人类的感情是很难加以评判的，但在一个理性的世界里，一项新技术的好坏应该和它的替代对象放在一起进行比较才更合理。核电站是典型的基荷电站，它的主要作用就是替代火电，维持电网的基本负荷，所以核电的各项指标应该和火电来比。在这方面，德国正好为我们提供了一个合适的案例。因为德国国内反核势力太过强大，德国计划到2022年彻底关闭尚在运行的6座核电站，缺口部分暂时只能由煤电代替，其结果就是德国每年的二氧化碳排放总量将增加3600万吨，大致相当于德国碳排放总量的5%。除了二氧化碳之外，煤电还会带来其他类型的空气污染，比如家喻户晓的PM2.5。据世卫组织（WHO）估计，全世界每年都有大约700万人死于空气污染导致的各种疾病，而烧煤是空气污染的主因。根据美国加州大学伯克利分校和圣芭芭拉分校，以及卡内基梅隆大学的经济学家所做的分析，去核政策产生的空气污染将导致德国每年多死1100人，直接经济损失超过120亿美元。

这项研究并没有把煤矿的安全因素考虑在内，因为德国的煤矿相对安全，但中国的情况就不一样了。据“煤矿安全网”统计，2021年全中国一共发生了91起煤矿事故，死亡178人。除了去核之外，德国还计划于2038年前彻底关闭所有的煤电厂。但因为德国的新能源还没有做好全面接手的准备，这么做不但会大幅提高德国的电价，还会让德国从能源的净出口国变成净进口国。换句话说，德国的去核运动本质上就是把污染从本国转移到了外国而已，对全球减排行动产生了负面影响。

由于国情不同，中国的核能行业暂时还不用担心受到国际反核运动的干扰，但中国核电的发展速度仍然不快，这也是不争的事实。截至2021年底，中国内地在运核电机组共有51台，总的装机容量约为5300万千瓦，占比2.36%。2020年一共发出了3662亿千瓦时的核电，占全国累积发电量的5%左右。相比之下，排名第一的美国现有在运核电站94台，发电量占比约为20%，排名第二的法国现有在运核电站56台，发电量占比高达70%。

为什么会这样呢？答案要从中国的核电发展史中去寻找。其实中国的核物理一直很强，早在1964年就成功引爆了第一颗原子弹。但原子弹和核电站非常不同，后者除了技术复杂度更高之外，还要讲求安全性和经济性，难度要比原子弹大多了。当年中国的综合国力还不够强，对电力的需求不高，而中国的煤电又很便宜，导致中国发展核电的动力不足，直到1991年才有了第一座拥有自主知识产权的秦山核电站。但秦山的装机容量太小了，技术也比较落后，所以中国决定采取先引进后消化的政策，先后从美法俄加等核电强国引进了一大批核电站，涵盖了当时全世界几乎所有的技术路线，所以有人戏称中国的核电是“万国牌”。这么做虽然便于学习各国的先进经验，但也导致中国核电的技术路线不统一，每座核电站都需要从头开始设计组装，建设成本居高不下。

21世纪初期，中国决定引进第三代核技术，希望在此基础上统一标准，最终发展出拥有自主知识产权的核电品牌，方便技术出口。经过一番考量，专家们决定把宝押在压水堆技术上，并在西屋AP600的升级版AP1000和法国EPR之间选择了前者。其实后者似乎更应该中标，因为中国引进的第一个大型商业核电站（大亚湾）用的就是EPR的前身、同样来自法国的M310堆型，两者的设计思路是一脉相承的，中国消化吸收起来应该会更容易些。西屋的AP1000是个全新的技术，国际上尚无成功先例，但AP1000的非能动理念相当先进，而且在保证安全的基础上大大节约了成本，所以在最终投票时有28位专家投给了AP1000，5人两者均可，投票支持阿海珐EPR技术的仅有一人。

这次投票是中国核电发展史上的里程碑事件，说明中国核电人没有局限于自己的过去，而是把眼光投向了未来。

西屋的中标合同是在2006年底签的，中方还专门成立了国家核电技术公司，作为引进吸收AP1000技术的主体单位。但这个项目一拖再拖，直到2018年4台AP1000机组才分别在三门和海阳两地建成并投入商业运行。工期的拖延原因很复杂，和福岛核事故有一定的关系，但最主要的原因就是美国方面为了绕开军方的出口限制，不得不重新开发出口管制清单上没有的新技术和新工艺，结果光是一个主屏蔽泵就耗费了8年的时间才研发成功。

大概是因为时间拖得太久了，一直在独立开发第三代核电技术的中核集团和中广核集团决定将各自的研发成果合并在一起，开发出了拥有自主知识产权的华龙一号核电站，并于2020年底在福清首次实现了并网发电。从技术上讲，华龙一号是在M310的基础上研制成功的能动+非能动混合设计堆型，据说能够结合两者的优点，在安全性和经济性上达成平衡。

与此同时，由国家电投集团牵头组织的大型先进压水堆重大科技专项也于2008年正式启动。根据西屋公司在技术转让时提出的要求，新电站的装机容量必须大于135万千瓦才能算拥有自主知识产权。对于核电来说，这个目标定得非常高，只有当设计人员真正掌握了核心技术之后才能实现，光把设备做大一点是不行的。上海核工院院长郑明光接受了这个挑战，和来自全国600多家单位的3万多名科研人员一道集体攻关，用了12年的时间这才终于圆满完成了CAP1400（即1400兆瓦，相当于140万千瓦）的设计任务，于2020年9月28日正式对外发布了这个被命名为“国和一号”的第三代核电站设计方案。

国和一号是中国研发成功的第二个具有完全自主知识产权的核电站，和华龙一号一样具备了独立出口的资质。国和一号采用了“非能动”的设计理念，和采用了“增加冗余度”理念的能动设计相比减少了57%的建筑物面积，电缆、泵和阀门也分别减少了48%、92%和80%，再加上工厂化预制和模块化施工方式的引入，建设周期缩短为56个月，建设成本也降低了30%。据郑毅斌估算，如果国和一号最终实现了批量化生产的话，建设周期可以缩短至48个月，建设成本可以从现在的每千瓦1.6万元降至1.1万元，即未来的国和一号只需大约160亿元人民币即可建成。

非能动设计的另一大好处就是维修保养简单快速，这就大大增加了核电站的有效发电时间。比如海阳AP1000核电站每18个月才需要大修一次，每次只需20天时间即可完成，比其他相同规模的核电站少了10天。考虑到海阳核电站单个机组每天的发电量约为2400万千瓦时，多出来的10天保养期就相当于少发了2.4亿度电，经济损失惨重。

核电站大修的主要目的是为了换料。燃料棒每18个月需要轮转一次，即把位于反应堆中间的燃料棒组件移到外面来，同时换掉三分之一的旧燃料棒。这样算下来每根燃料棒都可以烧上4.5年的时间，核电的经济性可见一斑。像AP1000这样的百万千瓦级压水堆核电站每年只需30吨核燃料，一辆大货车就能运完，成本大概是1000万元人民币。同样装机的火电站每年需要烧掉350万吨标准煤，需要大约6万节火车皮才能运完。随着煤价的提升，如今的核电已经成为事实上的标杆电价了，如果不算折旧的话，每度核电的成本还不到一毛钱。根据站方工作人员估算，海阳核电站只需正常运行7～8年就可收回投资，但银行经常不允许核电站提前还清贷款，因为他们想多挣点利息钱。

由此可见，起码中国的银行认为核电是靠得住的，部分原因在于中国基建的贷款利息较低。这个体制对于前期投资较大但运营成本较低的核电站来说是很友好的，这是中国核电最大的优势所在。未来的核能

除了发电之外，海阳核电站还做了一件面向未来的事情，那就是分出一部分核能为海阳居民供暖。一期工程在2019～2020供暖季为70万平方米共7757户居民提供了暖气，当年就节省了2.3万吨标准煤，原来负责供暖的烧煤锅炉被当作废铁卖掉了。2021年11月开始的二期工程将供暖面积扩大至450万平方米，使得海阳市成为全国第一个实现了零碳供暖的城市。

核能供暖是一件非常“顺手”的事情，因为核电站本质上就是用热能来发电，而且最好是一刻不停地满发，所以只要从核电站里引出一部分热能用于供暖就行了，不用担心暖气会停。当然了，核电站只提供热能，不输出放射性物质。反应堆里的热量通过管道与管道之间的热交换被转移到暖气管里，不存在辐射的问题。

核能供暖还能提高核电站的热效率，因为根据热力学第二定律，热能转化成电能肯定是有损失的，如果把热能直接用起来的话，核电站的热效率将会大幅提升。比如海阳核电站如果只发电的话，热效率仅为36.69%。供暖开始后，核电站虽然牺牲了5%的发电量，但整体热效率提升至39.94%。如果未来实现了单台机组向周边150公里范围内的3000万平方米供热的话，核电站的整体热效率有望提升至56%。

如果核反应堆只供暖不发电，不但可以进一步提升热效率，还能大大简化堆型设计方案，降低建设成本，提高核反应堆的安全系数。国家电投、中核集团和中广核集团这三家具有核电资质的能源企业都出台了自己的核能供暖示范堆设计方案，其中由国家电投黑龙江分公司组织开发的佳木斯核能供热堆示范项目的场址普选报告已经通过了评审，就等最后盖章了。如果这类项目能够普及开来的话，将对中国实现双碳目标起到很大的促进作用，因为中国一次能源的10%都消耗在冬季取暖上了，而且几乎都是靠烧煤来解决的，不但排放了大量二氧化碳，还是中国北方冬季空气质量不佳的最大原因。

建设中的国和一号除了增加核能供暖之外，还加入了海水淡化和核能制氢等辅助项目，这两个项目都不需要通过发电来实现，不但进一步提高了核电站的热效率，还能帮助中国解决淡水资源短缺和低碳制氢的难题，可谓一举三得。

就这样，在全球核电行业普遍遭到成本上涨和民众反核内外夹攻的时刻，中国后来居上，几乎以一己之力拉开了核电复兴的序幕。根据世界核能协会（World Nuclear Association）所做的统计，目前中国在建核电站一共有18座，装机容量1727万千瓦，约占全球在建核电站的三分之一。中国核能行业协会在2020年6月发布的《中国核能发展报告（2020）》指出，中国有望在十四五期间每年开工6～8台核电机组。如果这一预测能够顺利实现的话，中国的核能行业将在两年后超过法国，10年后超过美国，成为新的世界第一。

“我个人希望中国核电装机能够从现在的5000万千瓦，占比2%，增加到2060年时的4亿千瓦，占比10%。核电的年发电量能够从现在的3600亿千瓦时，占比不到5%，增加到2060年时的3万亿千瓦时，占比20%。”郑明光对我说，“为了实现这一目标，必须在未来的40年里至少建设200座类似国和一号这样的150万千瓦级的大型核电站，这就需要准备30个厂址，每个厂址建6～8台核电机组。”

目前中国尚未放开内陆核电项目，但沿海核电站的厂址资源是有限的，肯定不够用。其实所谓“内陆核电站”是只有中国才有的概念，国际上根本没有这样的说法。事实上，中国帮巴基斯坦建设的4台30万千瓦核电机组就建在内陆城市恰希玛，已经有这方面的经验了。

为了方便取水，内陆核电站大都建在水边。中国境内河流湖泊众多，适合建造核电站的厂址应该是很多的。假如内陆核电项目重启的话，最有可能先走一步的就是湖南、湖北和江西这三个内陆省。它们原先就有建核电站的计划，只是因为福岛事故的原因被叫停了。国家电投战略规划部主任何勇健认为，由于内陆的特殊性，可能更适合建造30万千瓦以下的小型堆：一来小堆对于地质条件的要求没有大堆那么苛刻，可供选择的厂址更多；二来万一出点什么事的话，影响的范围不至于太大。

上海核工院正致力于开发小型堆，他们认为这是未来10年商业核反应堆的主力。一来这种小型堆更容易实现一体化的堆本体设计，便于批量生产；二来这种小堆的建设成本较低，更符合发展中国家的需要，便于出口。

从中国的核能发展史可以看出，核能是一种只有少数国家才玩得起的高科技，大部分发展中国家要么技术实力不够，要么国力不够强，玩不起大型核电站。再加上国际社会为了防止核扩散，对核能的出口和技术转让施加了很多限制，这就进一步延缓了核能和平利用的步伐。小型堆很可能是解决这两个问题的突破口，有望在未来成为核能行业新的增长点。

小型堆的终极形式很可能就是美国麻省理工学院（MIT）的科学家提出的“核能电池”设计方案。顾名思义，这是将一座小型核电站的所有组件集中在一起，在工厂建造完成后一次性提供给客户，只需很少的现场安装就可以发电了，而且无需装料就可以安全运行5～10年。这种核能电池的装机容量可以低至1万千瓦，仅为大型核电站的百分之一，非常适合作为边远地区、独立社区或者工业园区实现能源自给自足的解决方案，为分布式能源构想提供了一种新的可能性。

不过，小型核电站的能量转换效率不如大电站，所以中国目前仍然是以大型核电站为主。中国已经有了两个完全拥有自主知识产权的三代核电站，未来两者将直接展开竞争，这对中国的核电发展应该是有好处的。问题在于，随着气候危机变得越来越紧迫，国际社会对核能的看法发生了微妙的变化，有越来越多的风险资金投入了新一代核电站的研发工作，从中诞生了好几种很有前途的四代核电设计方案，在燃料利用效率和安全性等方面都要比三代核电站提升了一大截。

比如，一种新型的高温气冷堆用化学性质稳定的氦气作为冷却剂，可以大大提高核电站的安全性。国和一号建设工地的旁边就有一座20万千瓦高温气冷堆示范电站，这就是华能投资建造的全球首座球床模块式高温气冷堆核电站。该电站用燃料球代替燃料棒，不但在任何情况下都不会熔化，还可以实现不停机换料。这两项新技术大大降低了事故风险，高温气冷堆因此而被誉为“最安全的核电站”。2021年12月20日，这座核电站首次完成了并网发电，标志着中国成为全球少数几个掌握了第四代核电站技术的国家。

再比如，有一种新型的熔盐堆用盐来做冷却剂，便于把核电站建在缺水的沙漠地区。这种反应堆的燃料也是熔盐，本身已经处于熔化状态了，万一发生事故，核燃料可以方便地导入地下储罐，不会扩散到环境中，这就大大提高了反应堆的安全性。上海应用物理研究所在甘肃省武威市建造了一台1000千瓦的钍基熔盐试验堆（TMSR），将在近期尝试并网发电。如果试验成功的话，中国计划在2030年前建造一台37.3万千瓦的商业熔盐堆，为沙漠地区的10万户家庭提供清洁电力。

除了通过改进冷却方式以提高安全性之外，第四代核电技术的另一大发展方向就是提高核燃料的利用效率，这就需要建造快中子增殖堆。顾名思义，这种反应堆利用快中子来轰击不易裂变的铀-238，后者吸收一个中子后变成了容易裂变的钚-239，从而完成了裂变材料的增殖。换句话说，这种反应堆的核燃料会越烧越多，理论上可以把核燃料当中所有的锕系元素（Actinides，原子序数为89～103的15种化学元素的统称，它们全都是放射性元素）全都烧光。但因为实际应用中不可避免的损耗，核燃料利用率最终可能只有60%左右，但也要比传统核电站1%的燃料利用率强太多了，完全可以做到“一次装料直至退役”的理想状态。

快中子增殖堆的关键技术尚未成熟，距离实际应用还有距离。但近年来核电领域的投资越来越多，促使很多私营企业加入了研发阵营。其中比较有名的就是比尔·盖茨（Bill Gates）参与投资的“泰拉能源”（Terra Power）。这家公司发明的行波堆（Traveling Waves Reactor）本质上就是快中子增殖堆的改进版，由于采用了沸点很高的金属钠作为冷却剂，理论上不需要加压，这就大大简化了核电站的设计，降低了建造成本。这种反应堆还可以很方便地控制发电量，非常适合与可再生能源相结合，作为电网的调峰电站。泰拉能源原本计划在中国建造首堆，但因为美国政府的出口限制而转回了美国。

除了节约核燃料，提高铀矿利用率之外，快中子增殖堆的另一大好处就是减少了核废料的总量并缩短了核废料的半衰期，而核废料储存的问题正是很多人反对核电站的主要原因。

“如果增殖堆技术可行的话，核燃料的使用率可以增加100倍。”郑明光对我说，“在现有技术条件下，铀矿的储量可供人类使用200年，增加100倍的话就是两万年，到时候核聚变总该成功了吧？”

确实，本专题采访过的绝大部分能源专家都把最大的宝押在了核聚变上，因为前面写过的各种技术，无论是风光水还是核裂变，都存在各式各样的问题，唯有核聚变，理论上几乎没有缺点，可以让人类毫无愧疚地使用上亿年。

真有这样的好事吗？这一天何时才能到来？

核聚变能源还要等多久？答案是30年，而且永远是30年。

这是核聚变领域的经典笑话，已经说了至少30年了。但据奥巴马时期的白宫科技顾问约翰·霍尔德伦（John Holdren）回忆，他那个年代的科学家们可比现在要乐观多了。霍尔德伦于1966年进入MIT从事核聚变研究，当时大家认为到1980年时可控核聚变就会成功，而1980年时大家不得不降低了预期，但仍然相信再过20年应该也就差不多了。

早年的科学家们没有理由认为可控核聚变会拖这么久，因为人类从试爆第一颗原子弹到建成第一座核裂变电站只用了5年的时间，而第一颗氢弹是在1951年试爆成功的，即使核聚变要比核裂变难搞一点，20年也总可以了吧？但真正做起来才发现，把两个原子核合二为一，要比让一个原子核一分为二难多了，因为原子核都是带正电的，彼此之间有电荷斥力，需要很高的密度和动能才能让两个原子核碰到一起并发生聚合反应。换成工程师语言的话，这就相当于把一团炽热的原子压缩得非常紧密。但高温和高压是两种截然相反的物理性质，很难同时满足，再加上核聚变会释放出巨大的能量，这会让原子团变得更热，因此也就更难被压缩。

好在核聚变的威力巨大，哪怕只有几分之一秒的聚变也能释放出巨大的能量，第一颗氢弹就是这么爆炸的。核弹专家们在装了几克氢（主要是氢的同位素氘和氚）的容器内部安置了一枚小型原子弹，利用核裂变产生的巨大能量在一瞬间把氘氚压缩到极致，引发的核聚变反应释放出了和几千克铀差不多的能量，人类第一次见识了核聚变的威力。

1952年，一枚绰号“香肠”的氢弹在一座太平洋小岛上试爆成功，产生的能量相当于1000万吨TNT当量，是广岛原子弹的700倍，而那座小岛从此永远地从太平洋上消失了。两年后，苏联也研制成功了第一枚氢弹，此事标志着两个超级大国之间的核军备竞赛进入了白热化的阶段。1961年，苏联试爆了“沙皇炸弹”，其威力达到了惊人的5000万吨TNT当量。这是迄今为止人类制造的威力最大的核武器，因为如果威力再大一点的话，爆炸产生的能量都释放到外太空去了，不会对地面物体造成更大的破坏。

幸运的是，并不是所有的科学家都对研究炸弹感兴趣，一些人一直在努力设法控制原子能反应，让核能为人类服务。控制核裂变非常容易，只需降低铀-235的含量就行了，从某种意义上说，可控核裂变甚至要比原子弹更简单一些。但核聚变却正好相反，这是因为聚变反应需要极高的温度和压力才能实现，人类造不出任何一种容器能够装得下这样的聚变材料，所以可控核聚变的原料必须和容器壁隔开，没有第二种选择。

核聚变是宇宙中最为常见的核反应，也是宇宙中绝大部分能量的来源。我们的太阳就是一颗不停地进行着聚变反应的大火球，其中一小部分能量以光线的形式传送到地球上，滋养了世间万物。太阳是依靠自身的重力把核聚变材料约束在真空中的，地球上显然无法实现这一点。早期的核物理学家们想不出解决这个难题的办法，可控核聚变似乎永远也无法实现。

破局者是一位名叫莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）的普林斯顿大学物理学教授，他在一次滑雪时想到，可以用磁场来约束聚变高温等离子体，从而解决这个难题。等离子体（Plasma）是物质在液态、固态和气态之外的第四种形态，前三种形态在地球上最为常见，但等离子体却是宇宙中最常见的物质形态，占比高达99%以上。顾名思义，这是全部由离子组成的一种物质形态，其中的电子在高温作用下脱离了原子核的束缚，成为自由流动的负离子，而原子核则因为丢了电子而成为自由流动的正离子。这两种离子混在一起，整体上保持电中性，这就是等离子体。根据电磁定律，运动中的带电粒子会在磁场的作用下发生弯曲，而磁场是可以用通电线圈营造出来的，于是斯皮策设想用线圈营造出一个特殊形状的磁笼，等离子体在抽成真空（约为大气的百万分之一）的容器中绕圈运动，在磁笼的约束下形成一个闭环，这样就可以不用接触容器壁了。

1953年，斯皮策和同事们在普林斯顿大学制造出了世界上第一台“仿星器”（Stellarator），证明等离子体确实可以被磁笼约束在一根真空管的中央。同年，加州大学伯克利分校创建的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）发明出了一种新的磁约束技术，可以让以直线运动的等离子体在到达真空管道的一端后被弹回来，就像光线被镜子反射回来一样，这就是磁镜（Magnetic Mirror）。

几乎与此同时，英国牛津大学的科学家造出了全世界第一台箍缩机。这台机器利用等离子体在有电流通过时会自动收缩（Pinch，即箍缩）的特性，用放电的方式对等离子体进行压缩，将核聚变材料约束在电流线的周围，不让它碰到容器壁。

就这样，来自英美两国的核物理学家在短短的三年时间里想出了至少三种利用磁场来约束等离子体的方法，而且通过实验证明它们全都能引发核聚变。虽然核聚变所产生的能量都远不如这三套装置本身所消耗的能量多，但核聚变技术的发展速度让大家信心爆棚。1955年8月，一批全球顶尖的核物理学家在日内瓦召开了第一届联合国和平利用原子能大会，印度裔会议主席霍米·巴巴（Homi Bhabha）在大会上预言，可控核聚变将在20年后成为现实。

就在同一年，英国物理学家约翰·劳森（John Lawson）推导出了著名的劳森判据（Lawson Criterion），并于1957年将这一成果公之于众。该判据是包含温度、密度和约束时间这三个变量的一组公式，只要将核聚变装置的这三项数据代入公式，就可以知道这台装置能否实现正能量，即能量的输出大于输入。

核聚变装置的能量输出输入之比叫“聚变能增益系数”，通常用Q来表示。只有当Q值大于1时，这台装置才有可能用来发电，否则就只能用来搞科研了。劳森判据中的这三个变量是乘积关系，也就是说核聚变装置的各项指标不必全都特别出色，只要三项指标都不太差，而其中有1～2项指标特别优秀就可以了。

核聚变的Q值和聚变原料的性质有很大关系，目前已知最容易实现正能量的聚变原料是等比例的氘氚混合物，其他类型的核聚变所要满足的参数条件要比氘氚大得多，所以最先建成的可控核聚变发电装置几乎肯定将会是氘氚聚变。其中氘可以从海水中提取出来，其蕴藏量至少可供人类使用数百万年。氚在自然界中的蕴藏量极少，目前基本上只能用核裂变反应堆产生的高能中子轰击金属锂来获取，每年的产能只有20公斤左右。再加上氚是一种放射性元素，半衰期只有12年，这就给核聚变实验带来了很多麻烦，目前尚无好的解决办法。

劳森判据的出现彻底改变了核聚变研究的范式，从此大家只需用没有放射性的等离子体来做实验，就可以通过劳森判据来计算出如果改用氘氚的话将会是怎样的结果。

此后的10年里，英美两国制造了好几台基于仿星器、磁镜和箍缩技术的核聚变装置，它们的表现全都远远低于预期，大家这才意识到人类对于等离子体的物理性质了解得太少了，根本无法对这种极端物质形态的行为模式做出预判。举例来说，箍缩机可以把等离子体压缩得非常致密，温度也可以加得很高，但等离子体的箍缩非常不稳定，只能维持很短的时间就会解体。相比之下，等离子体在仿星器中的约束时间会长一些，但加热加压非常困难，同样难以满足劳森判据的要求。所以当年最先进的核聚变装置的Q值还不到1/10000，距离正能量差得太远了。

60年代初期，苏联科学家尼古拉·巴索夫（Nikolai Basov）和中国的王淦昌院士分别独立地提出了利用高能激光来约束核聚变原料的想法。激光约束法依靠的是聚变原料的惯性，所以又被称为惯性约束法。虽然此法只能维持很短的约束时间，需要不断地启动激光发生器，但因为激光束可以产生极高的温度和压力，理论上能够弥补约束时间的不足，从而满足劳森判据的要求。问题在于，高能激光属于军工范畴，一般人玩不起，只有少数几个军事大国尝试过这一技术路线，结果发现这个方法需要对激光束进行极其精准的操控，技术上太难实现了，所以进展更加缓慢。

就在大家心灰意冷，几乎就要放弃核聚变的时候，从苏联传来了一则让人几乎不敢相信的消息。“沙皇炸弹”的设计师安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）设计了一个名为“电磁线圈环形室”（Toroidal Chamber with Magnetic Coil，即Tokamak，以下简称托卡马克）的磁约束装置，大大提高了等离子体的稳定性。这个新装置相当于仿星器和箍缩机的混合体，外形有点像轮胎，内含多组线圈，有些线圈负责形成强磁场，从外部来约束等离子体，有些线圈负责箍缩，从内部来约束等离子体。萨哈罗夫希望这个设计能够把仿星器和箍缩机的优点结合起来，实现性能上的飞跃。

第一台托卡马克原型机建造于1958年，但苏联科学家直到1965年才公布了测试结果。西方科学家不相信苏联人的技术水平，没把这件事放在心上。苏联科学家又于1968年公布了第二批实验结果，依然没能打动西方同行。于是苏联政府邀请英美科学家亲自来苏联做测试，结果证明各项参数都要比西方国家的类似装置好一个数量级，这下大家没有理由再不信了。

托卡马克装置的发明挽救了核聚变产业，因为这个设计相对简单，所需技术没那么复杂，投资也在可承受的范围内，看上去是很容易成功的。于是，包括中韩印等一大批原本对核聚变发电敬而远之的国家也参与进来，纷纷拨款建造自己的托卡马克原型机，为即将到来的核聚变时代培养人才。在各方努力下，核聚变迎来了一段高速发展期，1969～1999年的Q值增加速度甚至快过了微电子行业的摩尔定律。

回望那个黄金年代，有三个核聚变装置值得一提，这就是美国的TFTR、英国的JET和日本的JT-60。TFTR是由普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）负责建造的，它是全球第一个尝试用氘氚各占一半的核聚变燃料发电的托卡马克装置，输出功率首次突破了1万千瓦大关；JET是建于英国的托卡马克装置，于1997年用等比例的氘氚燃料创造了Q=0.67的世界纪录，即用2.4万千瓦的能量输入，换来了1.6万千瓦的能量输出；日本的JT-60则在技术参数上好于前两者，曾经创造了5.22亿℃的离子温度世界纪录。但因为日本在放射性材料的使用上存在诸多限制，日本科学家只能用氘来做实验，测出的Q值不高。但如果将实验结果换算成氘氚的话，JT-60的Q值达到了1.25，首次实现了正能量。

虽然这个1.25是通过核聚变等效换算得出的理论结果，不是真正的实验数值，但无论如何Q值已经非常接近1了，可控核聚变实现正能量指日可待。但接下来应该如何做呢？大家的意见出现了分歧。

当人类终于和动荡的20世纪说再见的时候，核物理学家们心里应该是有底的。英美日三国的实验结果清楚地表明，核聚变发电理论上肯定是可行的，只要把托卡马克装置做大一点就行了。于是，经过一番讨价还价之后，中印日韩美俄以及欧盟这7个成员于2007年发表了一份联合宣言，决定在法国南部的卡达拉舍（Cadarache）建造一个全世界最大的国际热核聚变实验堆（ITER），从工程的角度探讨建造商业核聚变发电站的可行性。

因为实际运行过程中必然出现的能量损耗，核聚变反应堆的Q值至少应该大于5才可能有商业价值。要想做到这一点，一定要想办法增加等离子体的体积和约束时间，这就必须把托卡马克装置的真空室做得很大才行，配套的电磁铁当然也就必须做得更大。设计中的ITER是一个有15层楼那么高的庞然大物，其核心是一个30米高、直径28米、重达2.3万吨的圆柱形反应器。高达1.5亿℃的等离子体将在一个半径约为6.2米的轮胎形真空室内做圆周运动，约束其行为的磁场强度在线圈表面将达到14特斯拉，是冰箱贴的一万多倍。如此强的磁场是由数块高达25米的电磁铁营造出来的，整个装置所使用的线圈总长度超过了10万公里。这些线圈必须降温至4K，也就是零下269℃的低温才能实现超导，所以ITER将成为宇宙中温差梯度最大的装置，其工程难度可想而知。

如此庞大的装置，任何一个国家都是很难单独完成的，团结协作是唯一的选择。ITER的想法最初来自戈尔巴乔夫和里根在1985年进行的一次美苏高峰会谈，双方一拍即合，随后法国和日本迅速跟进，变成了一个四方合作项目。初步计算表明，ITER可能需要花费100亿美元，这将把四个国家所有的核聚变预算都吃掉。因此一些科学家提出了反对意见，认为不应把宝全都押在托卡马克装置上，应该留出一些经费探索其他的方法，比如仿星器和球马克（Spheromak）等。另一些科学家则认为，ITER项目耗时太长，可能还没等建成就已经过时了。

因为这些反对意见，以及资金的短缺，ITER项目拖延了一段时间，最终在吸纳了一批新成员（包括中国）后于2007年正式启动，卡达拉舍厂址的建设也于2013年正式破土动工。ITER是继国际空间站之后科学界规模最大的一次国际合作，项目预算也从一开始的100亿美元上涨到目前的250亿美元，成为有史以来耗资最大的单一科学项目，由此可见能源问题对于人类社会的可持续发展有多么重要。

不过，就像所有的大型国际合作项目一样，ITER一开始进行得并不顺利，工期也一再推迟，从最早计划的2020年等离子体放电、2023年实现核聚变，推迟到了现在的2025年放电、2035年实现核聚变。因为新冠疫情的原因，ITER的工期很可能又要推迟了。

“ITER项目受疫情影响很大，因为这个项目是由各成员国各自领了任务，自己回去组织研发生产的，波及的面太广了。”ITER的中方轮值主席罗德隆对我说，“法国疫情控制得不好，很多施工都停下来了。中国疫情虽然控制得不错，但因为防控要求严格，生产同样受到了一定的影响。不过ITER团队正在采取各种措施减少损失，继续往前推进。”

据罗德隆介绍，目前ITER的项目基准还是2016年制定的。该基准要求2025年完成安装工作，实现第一等离子体放电，目前只完成了原计划的75%，估计很可能需要推迟一年才能实现放电。但项目团队希望能缩短下一个阶段的耗时，尽量保证2035年的氘氚核聚变实验不拖期，尽早实现Q=10的目标。

“建造ITER的目的不是为了发电，而是为了做实验。”罗德隆对我说，“我们希望通过各种实验进一步验证核聚变发电的可行性，探讨最优化的技术路线，为今后的商业核电站提供技术指导。”

所有这一切都需要消耗大量的时间和金钱，很多人等不及了。一群MIT核物理学家设计了一个基于高温超导材料的核聚变电站ARC，体积不到ITER的十分之一，成本更是只有ITER的百分之几，但磁场强度却能达到20特斯拉。计算表明，在输出功率不变的情况下，磁场强度每增加一倍，等离子体的体积就可以缩小16倍，ARC的高磁场强度将会大大缩小核聚变装置的体积，从而减少成本，降低自身能耗。

2018年，这群MIT科学家在马萨诸塞州创立了一家名为“英联邦核聚变系统”（Commonwealth Fusion Systems，CFS）的核聚变公司，并迅速获得了包括意大利埃尼集团（Eni）和比尔·盖茨等人的资助，总金额超过了两亿美元。这家公司希望能在2025年先建成一台基于ARC设计方案的原型机SPARC，体积只是ITER的1/65，Q值达到3以上。如果试验成功的话，他们计划于2030年建成一台百万千瓦级的ARC核聚变发电站，实现并网发电。资本市场显然非常看好这家公司，就在2021年的9月，该公司造出了表面磁场强度达到20特斯拉的高温超导环向磁场线圈原型件。两个月后，该公司便获得了总额高达18亿美元的B轮融资，钱景一片光明。

融资金额排第二的私营核聚变公司名叫“三氦能源科技”（TAE Technologies），总部位于美国的加利福尼亚州。这家公司采用的技术名叫“场反位形”（Field Reversed Configuration），可以将其看成是没有中间线圈的磁约束装置，和另一种很有前途的球马克装置非常相似。因为没有中间线圈，这两种磁约束装置的结构要比托卡马克简单多了，如果真能成功的话，将极大地降低核聚变电站的造价。截至2021年底，该公司已经获得了8.8亿美元的融资，投资方包括谷歌、高盛和微软公司的共同创始人保罗·艾伦（Paul Allen）等，同样是星光灿烂。

另一位明星投资人，前世界首富杰夫·贝佐斯（Jeff Bezos）则看中了一家名叫“通用聚变”（General Fusion）的加拿大公司，该公司发明了一种介于磁约束和惯性约束之间的新的核聚变技术，利用机械泵来压缩处于磁约束中的等离子体。这家公司已经拿到了3亿美元的融资，计划于2022年在英国建造一台原型机，具体细节尚未公布。不过该公司曾经发表过一篇关于球形托卡马克（Spherical Tokamak）的论文，不知是否暗示他们即将转型，或者参考了这种新的设计方案。

球形托卡马克和球马克不是一回事，前者本质上仍然属于托卡马克，只不过形状近似球形，看上去不像轮胎了，更像是一只去核苹果。球形托卡马克的中心柱比普通的托卡马克要细一些，这样电磁铁和等离子体的距离更近，不需要那么强的磁场即可实现对后者的约束，不用非得动用超导线圈，这将大大节约建造成本。但是，因为真空室体积太大，等离子体的密度较低，目前距离劳森判据的要求还有点远。

中国也有一家民营企业建造了一台球形托卡马克装置，这就是总部位于河北廊坊的新奥集团。这家公司靠天然气起家，是国内能源领域数一数二的民营企业。但为了迎接即将到来的能源转型，该公司毅然决然地加入了核聚变的战场，致力于分布式、低成本的紧凑型聚变技术研发。我专程去参观了该公司建造的这台名为“玄龙-50”的实验装置，可惜正好遇上大修，没能亲眼看到放电测试的样子。该公司负责聚变模拟的谢华生博士告诉我，这台装置处于早期原理实验阶段，距离真正实现核聚变发电还有段距离。他们还准备设计建造新型号的装置，朝着工程化方向迈进。

据统计，目前全球至少有20家私人企业在探索核聚变发电，这个行业俨然成为资本的一个新战场。除了气候变化带来的能源行业红利之外，很大原因就在于现有的这批国家投资主导的大型核聚变装置仍然以科研为主，缺乏商业方面的考量。不少私人企业采取了完全不同的策略，即先用较低的成本造出原型机，然后一边做实验一边做修改，希望借助工程手段提高性能，争取早日实现商业发电。

初看起来，双方的关系有点像美国航空航天局（NASA）和太空探索技术公司（SpaceX）之间的竞争。前者从政府拿钱，做的都是为全人类服务的大项目。后者是埃隆·马斯克（Elon Musk）创办的私人企业，用比NASA少得多的经费和快得多的速度开发出了可重复使用的运载火箭，极大地降低了太空运输的成本，开创了载人航天的私营时代。如今的ITER几乎和NASA一样庞大，而像CFS和TAE等公司则一直以马斯克为榜样，后者甚至从SpaceX公司挖了好多人过去，试图复制马斯克的成功模式。

但是，如果仔细比较一下的话，这个类比并不十分恰当，因为太空旅行已经被NASA等国家机构证明是可行的，SpaceX只不过利用商业公司特有的灵活性和自主性对现有航天技术进行了改进而已，双方均能从这种差异化竞争中受益，结果也确实是皆大欢喜。但可控核聚变尚未成功，还有很多科学和技术问题没有解决，国家机构的重要性是不可替代的。

“我们必须相信ITER，因为这是目前唯一有可能产生自我维持核聚变的装置。”霍尔德伦在接受《科学美国人》杂志采访时指出，“除非我们能理解并掌握如何让核聚变自我维持下去的理论和技术，我们永远不会知道核聚变能否成为一种具备实用性的能源形式。”

霍尔德伦所说的自我维持核聚变又被称为“点火”（Ignition），指的是聚变燃料燃烧产生的能量能够维持聚变的持续进行，不需要外界的持续能量输入，只需按时添加新的核燃料就行了。这是比正能量更高的要求，如果实现的话，将会从根本上改变核聚变电站的建造和运行方式。可惜我们距离那一天还很遥远，主要原因在于科学家们对等离子体的物理性质了解得很不够，无法通过理论计算来预测等离子体的行为。

“磁约束的问题在于，运动中的等离子体自身也会产生磁场，这就对外部施加的磁场形成干扰，从而导致了一系列不可预测的复杂变化，致使磁约束很快失效。”谢华生博士对我说，“一些核聚变企业试图通过纯工程的手段来提高核聚变装置的参数，但恐怕这是不现实的，不如先通过物理实验来大幅度提高Q值，这将大大降低工程技术难度。这就好比《神雕侠侣》的结尾，一帮人听说了华山论剑的名头，也跑上山来比武，但他们的武功和高手们相差太远，无论怎么练都是白费劲。”

新奥正在做的事情就是通过大量实验来积累数据，希望能从中寻找线索，找到更好的约束模式，改进等离子体物理学。

中国科学院在合肥建造的“东方超环”（EAST）做的是同样的事情。这台全超导托卡马克核聚变装置也是做实验用的，重心在长脉冲实验，这是未来稳态发电的基础。2021年12月30日，EAST创造了7000万℃1056秒的托卡马克装置高温等离子体放电时间世界纪录，为将来实现核聚变稳态发电提供了宝贵的经验。但是，EAST的等离子体能量约束时间还是太短，密度和温度也还不够高，按照劳森判据的标准而言距离世界先进水平还有很大的距离，尚不具备进行氘氚核聚变的条件。不过，这台装置可以为计划中的下一代“中国聚变工程实验堆”（CFETR）积累数据，并为中国的核聚变行业培养人才，为将来可能出现的技术飞跃做好准备。

除此之外，位于成都的核工业西南物理研究院已建成了一台中国环流器二号M装置（HL-2M）装置，将在接下来的实验中重点瞄准高劳森三乘积参数下的等离子体物理实验，同样可以为未来的商业聚变堆打好科学基础。

写到这里必须指出，以ITER为代表的托卡马克氘氚聚变并不是实现商业核聚变发电的唯一希望，因为这条技术路线除了正能量难以实现之外，还有一些技术难点有待解决。比如，氘氚聚变后会产生大量中子，现有金属材料无法应对如此高能的辐射，使用寿命很短，很可能用不了几年就得更换。再加上氘氚聚变会产生少量核废料，氚的生产过程也涉及放射性，处理起来会有很多麻烦。前文提到过的TAE公司选择了一条和ITER完全不同的技术路线，这就是氢硼聚变。氢和硼这两种聚变材料都很容易获取，氢硼聚变也不会产生中子，这就避免了上述问题。而且氢硼聚变后产生的能量是由带电粒子带出来的，可以直接用来发电，不需要再去烧水了，能量转化效率最高可以达到90%。可惜这种聚变需要的条件太高了，目前的水平还达不到。

再比如，为了持续发电，必须将等离子体约束很长的时间，也即实现稳态运行。理论上最有可能实现这一点的就是仿星器，只不过这个装置对工程技术水平的要求太高了，目前只有德国和日本这两个国家做得比较好。其中德国马克思普朗克等离子体研究所（Max Planck Institute for Plasma Physics）制造的Wendelstein 7-X是目前全世界性能最优异的仿星器，可以轻松做到将等离子体稳态放电半小时以上。要知道，对于传统的托卡马克装置来说，如果能持续放电100秒都将是一件轰动世界的大新闻。可惜因为疫情的原因，德国暂停了这个项目。

2021年8月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室传来好消息，该实验室耗资40亿美元建造的激光约束核聚变“国家点火装置”（National Ignition Facility）创下了输入1.9兆焦耳能量、输出1.35兆焦耳能量的新世界纪录，将Q值提高到了0.71。虽然该结果尚未经过同行评议，但著名的《科学》（Science）杂志已经迫不及待地将其列为2021年度十大科学突破的第三位了，由此可见这件事的意义有多么重大。如果他们能将这一结果重复出来的话，这就意味着可控核聚变发电又多了一种技术选择。

如果现在再问核聚变发电还要等多久？答案很可能不再是30年了，而是20年甚至10年。但是，如果把问题改成核聚变普及还要等多久？答案很可能要比30年长得多，因为即使核聚变实现了正能量，发电的成本肯定会非常昂贵，经济性很成问题。但是大家别忘了，莱特兄弟制造的第一架动力飞机的第一次试飞只维持了12秒钟，飞行距离只有可怜的36.5米。可一旦他俩证明动力飞机是可以被造出来的，余下的事情就不用大家操心了。

2021年底，著名的科幻电影系列《黑客帝国》出了第四部，名为《矩阵重启》（The Matrix Resurrections）。这个故事的起因是机器矩阵发生了能源短缺，机器人为了争夺能源而大打出手。矩阵设计师发现当人类情绪激动时产生的能量最多，于是复活了尼奥和崔妮蒂，让他俩挨得很近却又永远不能碰面，以此来为矩阵生产更多的能量。

这当然是好莱坞的一厢情愿，但编剧有一点说对了，那就是未来的机器世界也会发生能源短缺，而人类的大脑其实是最耗能的，因为想象力没有边界。

在此之前，好莱坞还推出过另一部科幻大片《芬奇》（Finch），讲的是地球被毁灭之后的一位幸存者为照顾他的小狗而训练机器人的故事。著名演员汤姆·汉克斯扮演的这位幸存者在电影里的身份是TAE公司的前员工，由此可见电影导演相信未来的人类只能依靠核聚变来获得能量。

无独有偶，ITER这个名字的拉丁文意思为“道路”，当初选择这个名字的人们相信核聚变将是人类通往未来的唯一道路，唯有它才是取之不尽用之不竭并对环境极为友好的能源形式，其余的选择存在各种各样的缺点，都是不可持续的。

既然这样，那就让我们从现在开始努力探索吧。人类的智慧已经帮助我们解决了很多问题，没有什么理由让能源问题成为例外。

（参考资料：Mark Eberhart，Feeding the Fire；Vaclav Smil，Energy：A Beginners Guide；Vaclav Smil，Energy：Myths and Realities；Charles Seife，Sun in a Bottle：The Strange History of Fusion and the Science of Wishful Thinking；Arthur Turrell，The Star Builders：Nuclear Fusion and the Race to Power the Planet；Chris Goodall，Ten Technologies to Fix Energy and Climate；Richard Muller，Physics for Future Presidents；Bill Gates，How to Avoid a Climate Disaster；Michael Klare，Rising Powers，Shrinking Planet；若泽·戈尔登贝格：《能源：牛津科普读本》） 低温等离子体项目成本原子能能源项目公司清洁能源核能发电压水堆核电站核电核聚变“人造太阳”计划