可控核聚變之路還有多遠？羅德隆博士談ITER的過去、現在和未來 | 錨點

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INTERVIEW

從牲畜到蒸汽再到電力，從生物能到化學能再到核能，歷史上人類文明的每一次升級都離不開新能源。下一場能源革命將是可控核聚變，或者說，“人造太陽”。

從原理上講，聚變能幾乎取之不盡、用之不竭，因為其主要原料是宇宙中最豐富的氫元素——通過核聚變，1升海水所釋放的能量抵得上300升汽油。

當今全球規模最大的國際合作科學計劃是ITER，全稱“國際熱核聚變實驗堆”。ITER集結了全球七方，包括中國、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度以及東道主歐盟。從某種意義上說，它承載著地球村全村的希望。

2025年浦江創新論壇期間，我們非常榮幸地見到了ITER副總干事羅德隆博士，并對他進行專訪。羅老師的職業生涯可謂與ITER深度綁定。2003年，中國加入ITER的談判就由他帶隊；2008年，他主導創建了中國國際核聚變能源計劃執行中心，負責國內與ITER的對接。如今，他更是直接任職于ITER組織，反過來代表ITER與國內對接。這樣的經歷是獨一無二的。他的講述讓我們領略到核聚變事業宏大如太陽的雄心與微妙至氚核的細節，也讓我們更深入地認識了ITER的發展之路和未來挑戰。

羅德隆

國際熱核聚變實驗堆（ITER）組織副總干事

Q：羅老師，可否先請您介紹一下核聚變？

A：

簡言之，核聚變就是將兩個自然界最小的原子核，即氫的同位素氘核和氚核，合成為一個更大的原子核，即氦-4原子核。

根據愛因斯坦的質能方程，當兩個小的原子核相撞（核聚變）并形成一個大的原子核時，其質量會有損失，損失的質量會轉化為能量。所有恒星發光發熱的能量之源都是核聚變。

或許有人要問：人類為什么要開發聚變能？

現在當我們討論碳中和、碳達峰問題時，會涉及很多不同的解決問題的路線，包括水力發電或以風能為代表的新能源，等等。而核能擁有多方面的優勢，如今正發揮著越發重要的作用。

第一，聚變能是綠色能源，對環境友好，不產生任何污染物（包括溫室氣體）。第二，從能源角度來說，“燃料無盡”是非常重要的一點。而聚變能是取之不盡、用之不竭的，因為其“燃料”是氘和氚。從1升海水里提取的氘，通過聚變反應能產生相當于燃燒300升汽油提供的能量。雖然氚在自然界豐度不高，但可以通過與鋰的相關反應實現人工制得。地球上鋰的儲量巨大，因此氚也算是無盡的。第三個優勢在于核聚變具備固有安全性。相較核裂變而言，它不產生高放射性物質（產物雖然也存在一定放射性，但極少有半衰期很長的）。

所以，我們認為核聚變若能被和平利用，是可以成為人類未來的理想能源的。相比化石燃料、裂變燃料，它的優越性毋庸置疑。提出聚變能倡議后，世界上的核大國、科技大國全都積極參與，共同推動聚變能技術發展。

其實，用一句話描述核聚變就是“讓兩個小原子核變成一個大原子核”，如何讓這個實現是我們每天都在努力追求的目標。

大家知道，原子核帶正電，兩個帶正電的原子核，因同性相斥，很難聚到一起。這就需要把它們加熱至極高溫度——比太陽溫度更高的1億攝氏度！另一大要求是高密度。空間內的粒子必須足夠密集，才能相聚。此外，保持高溫、高密度狀態的時間，即所謂約束時間，必須足夠長。打個比方，現在裝置內達到了1億攝氏度高溫，結果你往里加了點東西，溫度很快就降下來了，這就無法達成聚變；加了東西還保持高溫，才有望實現聚變。但這很困難，因為核聚變反應沒有配套的“爐子”。

我們能源研究界有個“燒鍋爐”的說法：先有個鍋爐，再在鍋爐里燒煤，那么鍋爐的材料要能扛住煤燃燒的溫度。但沒有任何材料能用來做核聚變的爐子。人類目前能制備的最抗高溫的材料，其耐熱極限也不過3000到4000攝氏度。核聚變可是要達到千萬攝氏度、億攝氏度級別的。

我們選擇用磁場，是因為它能約束帶電粒子。也就是說，在核聚變裝置的真空室內，用磁場控制等離子體中的離子，這時，磁場形成一個“磁籠子”，等離子體這團“火”——或者說“太陽”——懸在籠子中央。但這一控制過程是比較困難的。

正因為磁場控制方面的難點，核聚變電站至今仍未真正實現；要知道，核裂變電站都搞了大幾十年了，技術相當成熟。

Q：原因就在于核裂變非常容易實現，所需條件為常溫常壓。裂變反應是自然過程。

A：

沒錯。裂變是自然過程——就像杯子掉地上摔碎那般自然。聚變相當于把碎片復原成杯子，那可難太多了。

Q：ITER的尺寸有多大？

A：

從外形上看，ITER很像去掉上方尖頂的天壇祈年殿。它是一個直徑30米、高30米的圓柱體。這跟裂變電站是不一樣的。

裂變電站內部基本上是空心的，用于放置燃料。聚變裝置的大部分部件則裝在內部，數量達上百萬個，設備密度很大，內部空間很緊張，常出現空間不足導致修改設計的情況。

Q：似乎常有人拿ITER與埃菲爾鐵塔“比大小”——他們比的具體是什么？

A：

主要比的是鋼材用量。ITER反應堆內一個極為關鍵的部件是真空室，其所用的不銹鋼的總重量相當于埃菲爾鐵塔的重量。環形的真空室共包含9個真空室扇段模塊，每個扇段上套兩個環向場線圈，這些線圈環繞著環形真空室，負責產生環向場，而所謂環向場就是“環著走”的磁場。

每個環向場線圈的重量相當于一架波音747。與此同時，它也非常精細、復雜，線材直徑大約為0.8毫米，比鉛筆芯略粗一點。這個很細的線材內還含有上萬根不同材質的超導絲。

那么，我們為什么要建如此之大的核聚變實驗堆？過去，我們在合肥、成都等地的實驗室也做過一些核聚變實驗裝置，但它們都稱不上反應堆。從實驗裝置到真正的反應堆，至少要實現兩方面質的飛躍。

一是溫度梯度。中心溫度高達1億攝氏度，控制這1億攝氏度的磁場卻要運作于零下269攝氏度（4開爾文）的環境中。這么大的溫度梯度在這么短的距離內太難實現了。我們嘗試加真空或隔熱之類的各種冷卻方式，但這些都要求空間。另一大關鍵在于，能量集中之處，沒有足夠大的面積，因此單位熱負荷過高，相關材料受不住。

當初我們做ITER的設計，經過了各種考量。

20世紀

中葉

蘇聯科研團隊提出一種利用磁約束來實現可控核聚變的環形裝置托卡馬克。這為人類利用核聚變打開了一扇大門。

1985年

在美國和蘇聯的倡議下，ITER計劃確立。歐盟和日本隨后加入。

1988年

ITER組織在美國、德國和日本建立了三個聯合研究中心，開始進行設計工作。

2001年

以全世界聚變研究的主要成果為基礎，歷經十三年努力，ITER的工程設計終于完成。

2003年

中國作為獨立成員加入該計劃談判，承擔ITER工程總造價100億歐元的10%，與其他成員共享全部知識產權。

2006年

中國、美國、俄羅斯、歐盟、日本、韓國、印度七方代表正式簽署聯合實驗協定，決定在法國南部卡達拉舍建設國際實驗型熱核反應堆，全面啟動ITER計劃。

Q：您現在擔任ITER組織的副總干事。請問副總干事這一職務的職責有哪些？

A：

我們的班子實際上就三個人。一名總干事，兩名副總干事，經過各方篩選、推薦后確定。副總干事分為科技副總干事和行政副總干事，我屬于后者，負責涉及人事、財務、采購以及整個機構運行的相關事務。當然了，我不是做核聚變出身的。我的老本行是機械，過去總跟機床打交道，研究設備和工藝。

Q：這個背景與ITER的基建倒是有挺大關聯的。

A：

沒錯，現在核聚變反應堆的建設會涉及很多機械方面的內容。

Q：中國在ITER中承擔的主要任務有哪些？

A：

第一大塊任務圍繞磁體展開。我們的工作涉及環向場磁體、極向場磁體、校正場線圈、磁體饋線等。

第二大塊任務是關于內壁的。工作涉及第一壁和屏蔽模塊。第一壁部分，我們承擔12%左右的任務量；在屏蔽模塊上，我們負責50%。

第三大塊任務聚焦電源。雖然ITER旨在生產未來能源，但現階段我們需要用大量電力給它的線圈供能，從而將等離子體加熱至1億攝氏度。

Q：中國負責的技術部分算得上ITER核心技術嗎？

A：

可以算。當然，我們與其他參與國家一樣，都只做核心技術里的一部分。比方說，我們承擔10%左右的具體工作，這涵蓋約30%的核心技術。

Q：近些年，我常聽聞有關ITER建設進度的消息。我了解到，中國團隊負責的工作推進得很好，頻頻受到ITER組織贊揚——我們每次都保質保量地如期交付部件。另一方面，ITER整體進度的不斷推后令人擔憂。比如，我最早聽說ITER時，此項目本該于2020年前建成，并且實現首次等離子體；不過等到2024年，我通過新聞了解到，實現時間被推后至2035年。這到底是什么情況？

A：

ITER建成時間不斷延后，是因為起初大家過于樂觀，對困難預估不足。上手之前，都覺得10年總該建成了吧；真做起來了才發現，沒那么簡單。實際上，很多大科學工程都如此。

ITER是首個核聚變反應堆，過去從未有類似的建設項目。各個國家所造的部件運至現場后，可能遭遇無法安裝的情況。這就需要做修改了——可能一修就是一兩年。

Q：這令我感到奇怪：部件運送前，難道沒有跟圖紙對照過嗎？怎么會發生送到現場才發現裝不了的情況？

A：

確實都對照過。但有時候問題難以避免。挑戰主要來自兩方面。前面我們提到的真空室及其包含的扇段，在設計上存有難點。

真空室扇段共有9個，總重量相當于埃菲爾鐵塔，單個的規模可想而知。扇段并非整體制造，而是分四段加工；每一段完成機械加工、確定最終形狀后，才會轉入焊接工序。而焊接必定帶來變形。

因此按道理講，應當先焊接后加工。但如果先焊接，那焊出來的可是個大家伙兒！十幾米長，幾百噸重，沒有任何機床能放下如此龐大的工件。所以我們又開發了新方法、新設備，耗費近兩年時間去做調整、修復。

以目前的進度來看，似乎不存在不可逾越的障礙，ITER的成功值得期待。

Q：可控核聚變，還需要多久才能成功？近些年，我接觸了一些核聚變領域的工作者，發現無論是學術界還是企業界的人，都懷有比以往樂觀很多的預期。現在他們覺得，行業有望于2045年左右實現商業化的核聚變發電。您怎么看待這種預期？

A：

先要說明一點，ITER本身不是開發用來實現商業化發電的。另一方面，ITER在某些關鍵環節上仍面臨尚未解決的難題。比如，ITER現階段需要從外部購買氚，自身無力生產足夠多的此類燃料；而且目前沒有實證證明未來會有能力生產足量的氚燃料。究竟能否實現氚的自產自用（也就是氚自持）？這是個疑問。又如，當前ITER仍缺少具備足夠抗輻照能力的材料。設備所用材料能否長時間“服役”尚未得到驗證。

我認為，我們在聚焦ITER本身的同時，也應努力解決我剛提及的兩個關鍵問題。基于已有的ITER核心，再加上燃料、材料方面的配套，才能真正做到靠核聚變發電——長期、穩定、有規模、商業化的聚變發電。

我們計劃，聚變實驗堆ITER建成后，再建聚變示范堆（DEMO），旨在實現真正意義上的聚變發電。我們期待，到二十一世紀的五六十年代，人們能見到商用的反應堆。

近些年，中國在可控核聚變領域取得了一系列突破性成果：

EAST是世界首個全超導托卡馬克。2025年1月，它在安徽合肥刷新世界紀錄，實現1億攝氏度等離子體穩態運行1066秒，為長脈沖燃燒等離子體提供了關鍵驗證。這標志著我國聚變能源研究實現從基礎科學向工程實踐的重大跨越。

“中國環流三號”是我國目前規模最大、參數最高的托卡馬克裝置。2025年3月，它首次實現原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的“雙億度”運行，聚變三乘積達10的20次方量級。這標志著中國聚變研究正式進入燃燒實驗階段。我國成為全球首個在運行裝置中實現“雙億度”的國家。

BEST期望成為全球首個聚變能發電演示裝置，體積較ITER縮小40%，功率密度提升3倍。2025年5月，它在安徽合肥啟動總裝，并計劃于2027年建成。

Q：中國的核聚變研究走過了怎樣的歷程？目前在世界上處于什么水平？

A：

早在二十世紀五六十年代，中國已經有了相關研究。歷經一代又一代發展，我們試過各種各樣的概念，最終也選擇了以托卡馬克為主的路線。

如今西南物理研究院有“中國環流三號”，中國科學院等離子體物理研究所有正在運行著的EAST（全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，又稱“東方超環”）和在建的BEST（緊湊型聚變能實驗裝置，又稱“夸父啟明”）。

加入ITER前，我國在聚變領域的投入相對較小，在國際上的地位比較靠后。加入ITER至今已有20余年，其間中國的聚變研究進展飛快。我個人判斷，當前中國位居世界第一方陣——在設施建設方面尤為領先。從科學發現到技術進步，從運營管理到人才培養，我們都取得了非常重要的成果。

值得一提的是，在與聚變相關的一些“周邊”科技上，也有令人驚喜的進展。比如，中國在某些超導技術方面曾長期依賴進口，如今在超導的一些性能上，我們已經能做出全世界最好的了。

Q：我也認識一些中國科學院等離子體物理研究所研究超導應用的科學家，從他們那里得知，我國得益于ITER的技術助力，將原本按公斤計的超導線年產量提升至如今以噸計的水平。

A：

沒錯，目前我們國家的相關出口很多。

Q：近些年，我發現可控核聚變的技術路線相當多元。除了最主要的托卡馬克，還有以仿星器和慣性約束為代表的其他選項。（比如中國科學院院士張杰教授就致力于慣性約束路線。）其他學派的專家也都預期能在2045年實現商業化發電。您對其他技術路線有何看法？

A：

我認為，豐富多樣的路線嘗試對聚變領域的發展有積極意義。

以仿星器為例，它的優勢在于不會發生破裂，因為它無需靠等離子體電流產生磁場，而是借助外部線圈實現對等離子體的磁約束，從而規避了等離子體電流的不穩定性問題。托卡馬克則存在破裂風險。從物理層面看，仿星器是更容易的選擇。但在工程上，仿星器太難了，因為它那如麻花般的三維螺旋結構線圈太過復雜——通過外部線圈設計來控制好內部等離子體的形態是一項艱巨挑戰。不過，仿星器相關的一些實驗成果和研究經驗對ITER有著很重要的意義。

慣性約束聚變的工作原理是這樣的：利用超強激光聚焦裝有氘和氚的微型燃料靶丸，在極短時間內向靶丸表面輸注能量，令其向外爆炸并產生向內的反作用力，反作用力壓縮內層燃料，壓到一個極小的體積，進而產生極高的密度、極大的能量——靶丸內的原子核密度堪比太陽核心而溫度超過太陽核心。由此聚變瞬間發生。

Q：2025年浦江創新論壇的主題為“共享創新 共塑未來：構建開放合作的全球科技共同體”。我覺得“共享創新 共塑未來”的理念與ITER完美適配。關于構建開放合作的全球科技共同體，您有何心得與建議？

A：

我對此感觸頗深。在我看來，ITER本身就是一個小規模的全球科技共同體，集結了各國力量，匯聚了不同體系與文明下的智慧。ITER的參與者們來自五湖四海，為共同目標而努力，力求解決全人類的能源問題。在當前這般百年未有之大變局的國際地緣政治環境下，大家聚一塊兒工作是美好且寶貴的經歷。

面對共同的問題，人類愿意求同存異、攜手合作，也通過實際行動證明了合作絕對可行、充滿可能。ITER就是范例。

Q：您認為核聚變領域亟待攻克的核心問題，或者說，下一個錨點是什么？

A：

在我看來，核聚變未來的關鍵詞是“持之以恒”。

我們在這行干了很多年，未來還要繼續干，努力解決問題，最終建成ITER。建設之路需要我們持之以恒。同時，宇宙中所有“恒星”產生能量的方式都是聚變。我希望核聚變領域的同仁們繼續堅持，以實現“人造太陽”——“人造恒星”。

袁嵐峰

《錨點》科學對談人

-本文刊載于《世界科學》雜志2026年第2期“錨點”專欄，該專欄由《世界科學》編輯部和東方衛視《錨點》節目組聯合開發；《錨點》系列節目由中國科學技術大學科技傳播系副主任袁嵐峰研究員主持-

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