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(来源:电能革新)

核聚变能被明确写入国家“十五五”规划纲要,列入未来产业重点方向。这项被称作“人造太阳”的技术,和天上太阳的发光发热其实是一回事,几十年来一直被业内视作人类能源问题的终极解决方案。而接下来这五年,正是中国聚变技术从实验室科学探索,全面转向工程化、产业化的决定性转折点。站在2026年这个时间点,这场酝酿了半个多世纪的能源革命,到底走到了哪一步?

在四川成都的国家聚变产业试验平台,这里正攻克聚变装置最核心的部件——第一壁。它就像一层贴在真空室最内侧的贴身铠甲,时刻承受着芯部上亿度等离子体的炙烤,以及高能粒子不间断的轰击。毫不夸张地说,第一壁要是扛不住,哪怕其他部件做得再先进,整个聚变装置也只能是个摆设。让人提气的是,我国自主研发的第一壁早已通过全球最严苛的高热负荷测试,目前已实现批量生产,技术水平稳居国际第一梯队。

全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST) 图片来源:新华社
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全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST) 图片来源:新华社

一、三层“铠甲”:钨、铜、不锈钢的精密分工(附实测数据)

很多人以为第一壁就是一块厚金属板,其实根本不是。它是由三种不同材料叠在一起做成的精密“三明治”结构,每一层都有自己的专属任务,缺了谁都不行,而且每一项性能都经过了实打实的测试验证:

最外面一层是钨,相当于冲在最前面的“先锋盾”。在所有已知金属里,钨是全球聚变界公认最适合直接接触等离子体的材料。它的熔点高达3422℃,比钢铁高出一倍还多,就算面对聚变装置芯部1.6亿度的极端高温,也能保持固态不熔化;同时热导率有173W/(m·K),热膨胀系数只有4.5×10-6/℃,被高能粒子轰击时的损耗极低,既能快速把热量导走,又不会掉渣污染反应区,从根上保证了等离子体的纯净和稳定。

中间夹着铜合金,负责当高效散热的“导热快车道”。钨层吸了那么多热量,必须瞬间传出去,不然分分钟就烧穿了。我国用的CuCrZr铜合金,实测导热系数达400W/(m·K),是普通钢材的10倍以上,能在0.1秒内把钨层表面几千摄氏度的高温传导到下层,避免局部过热烧坏部件;就算在中子辐照的环境下,它的导热系数也能保持原来的80%以上,稳定性比普通铜好太多。

早在2016年,我国为ITER做的第一壁半原型件,就在俄罗斯Efremov研究所通过了极限测试:4.7MW/m²热负荷下扛了7500次循环,5.9MW/m²的过载热负荷下也扛了1500次,全程没有出现过热或者结构损伤。

最底下是低活化铁素体马氏体钢,相当于支撑整个结构的“坚固骨架”。实测数据显示,它的室温屈服强度达550MPa,比国际主流的Eurofer97钢高出16%;在650℃、90MPa的工况下,蠕变寿命能到2157小时,比F82H钢提升70%。

更厉害的是,它能扛住聚变产生的高能中子辐照,辐照后硬度只增加35%,远低于普通同类钢材(硬度几乎会翻倍)。它不仅能给整个第一壁提供足够的结构强度,还能挡住没被完全吸收的中子和辐射,保护外面的超导线圈、真空系统这些贵重设备,筑牢了整个装置的安全底线。

这三种材料怎么复合、怎么焊接、怎么成型,是全球聚变工程公认的顶级难题。而我国已经实现了第一壁全流程自主研发、制造和检测,从材料配方到焊接工艺,再到最后的高热负荷测试,所有核心技术都攥在自己手里,整体水平跻身国际前列。核工业西南物理研究院的团队不仅给国内的装置供货,还拿下了国际热核聚变实验堆(ITER)的第一壁批量制造合同,“中国造”的聚变铠甲,正在走向全球舞台。

二、从实验到工程:中国聚变的“十五五”关键突破

第一壁的突破,只是中国聚变工程化提速的一个缩影。现在整个领域正迎来三个标志性的进展,每一个都有实打实的实验数据支撑:

首先是装置性能不断刷新纪录。新一代“人造太阳”中国环流三号,2025年接连拿下两个大突破:先后实现离子温度1.2亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”稳态运行,最长稳态运行时间达到100秒;同时还实现了等离子体电流100万安培、高约束模式运行,衡量聚变反应水平的关键指标——聚变三乘积,达到了1020m-3·s·keV量级,创下了我国聚变装置的运行新纪录。这标志着中国聚变研究正式迈入“燃烧实验准备阶段”。按现有节奏,2027年就能首次开展燃烧实验,向“聚变输出能量大于输入能量”这个核心目标发起冲击。

与此同时,重大工程建设全面提速。合肥的BEST装置(燃烧等离子体实验超导托卡马克)主机进入总装冲刺阶段,核心部件安装进度已超80%,预计2027年底完成总装并投入调试。成都和合肥两大核心基地同步推进试验堆建设,其中成都试验平台已建成第一壁生产线,年产能可达50套。国家规划也划定了明确的时间表:2035年建成先导实验堆(设计聚变功率100MW),2045年建成示范电站(设计年发电量50亿千瓦时),一步步打通商业化路径。

更值得关注的是,完整的产业链已经初步成型。从上游的超导材料、核心部件制造,到下游的装备集成、测试服务,国内已形成较为完整的配套体系。西部超导生产的聚变级超导带材,临界电流密度达4.5×105A/cm²,可完全满足聚变装置超导磁体的核心需求;安泰科技研发的聚变级钨材料,纯度达到99.999%,达到ITER严苛标准。

除此之外,聚变技术衍生出的医疗技术已经落地:像超导质子治疗设备,治疗精度能到0.1mm,比传统放疗设备提升3倍以上,完成了技术的跨界转化。

三、终极能源的现实意义:不止于发电

很多人可能觉得“人造太阳”离我们还很遥远,其实它的战略价值早就超越了发电本身,几组数据就能说明它有多重要:

从能源安全的角度说,核聚变的原料氘可以直接从海水中提取。实测数据显示,1升海水里蕴含的氘,通过聚变反应释放的能量,相当于燃烧300升汽油(约2200大卡/升)。这么算下来,全球海水里的氘,足够人类用上几十亿年,而且分布均匀,哪个国家都能获取。真到了商业化那天,我们就能彻底摆脱对化石能源和传统铀矿的依赖,能源安全再也不用看别人脸色。

从产业发展的角度说,聚变工程是个不折不扣的“产业发动机”。它涉及超导、精密制造、材料科学、人工智能控制等几十个高端领域,每一项技术突破都能带动整个产业链升级。就拿第一壁制造来说,它直接推动了我国高端焊接和精密加工产业的技术进步,现在相关企业的焊接精度已经能做到0.01mm,达到了国际先进水平。可以说,发展聚变产业,就是在培育未来的高端产业集群,抢占全球科技竞争的制高点。

更现实的是,“十五五”把聚变从一个“科研课题”升级成了“国家产业布局”,政策、资金、人才都在往这个领域汇聚,原本看起来遥遥无期的研发进程,正在被一步步加速。现在第一壁、超导磁体、偏滤器这些核心部件都已经逐个攻克,工程化和商业化的壁垒,正在一个个被打破。

结语

“人造太阳”从科幻走进现实,从来都不是靠某一项技术的单点突破,而是材料、装置、工程、产业全链条的集体突破。成都试验平台上那层由钨、铜、不锈钢铸成的“聚变铠甲”,每一组实测数据、每一次性能突破,守护的不仅是装置里那团上亿度的等离子体,更是中国迈向终极能源、掌握未来能源主动权的底气。

十五五这五年,不是聚变商业化的终点,而是工程化的关键起点。当第一壁稳稳扛住上亿度高温,当核心装置不断刷新纪录,当产业链条逐步完善壮大,属于中国的“终极能源时代”,正一步步从蓝图照进现实。