聚變裂變混合堆：未來能源的可靠基石

文 | 鈦資本研究院

近兩年，可控核聚變從一項略顯遙遠的科學探索，迅速成為全球前沿科技投資領域最炙手可熱的賽道。尤其是在其被納入國家“十五五”規劃之后，資本的熱情被徹底點燃。從鮮有人問津到初創企業估值動輒數十億，市場似乎已經嗅到了“人造太陽”即將升起的曙光。然而，聚變能的實現，尤其是作為商用基荷能源的實現，依然面臨著從科學到工程、從材料到資源的巨大鴻溝。

在此背景下，以中國工程物理研究院彭先覺院士團隊為核心的科研力量，基于數十年核武器物理與慣性約束聚變研究積累，原創提出Z箍縮驅動聚變裂變混合堆（Z-FFR） 技術路線，以 “聚變 + 裂變” 的融合方案，一攬子破解純聚變的工程桎梏，成為未來數百年乃至上千年人類能源供給的現實選擇與可靠基石。

近期，鈦資本邀請澤塔聚變科技（北京）有限公司聯合創始人、副總經理王總進行分享，他是原中國工程物理研究院科技委物理學科委員/專業組召集人。彭先覺院士團隊資深核聚變專家，長期從事Z箍縮聚變技術研究。他曾任科技部核安全與先進核能專家組成員，某國防基礎重大專項專家組成員。主持人是鈦資本董事總經理吳凱，長期關注可控核聚變、智慧汽車、前沿科技、專精特新領域。以下為分享實錄：

聚變的底層邏輯與路線分野：從恒星“暴力美學”到人工約束

要理解聚變裂變混合堆的獨創性，首先需要回歸聚變能產生的物理本源，厘清不同技術路線的底層邏輯。

1.恒星的啟示：重力約束的“暴力美學”

我們每天感受到的陽光，是自然界最成功的“可控核聚變”案例——太陽。然而，太陽維持數十億年穩定燃燒的機制，對人類而言卻是一種“無法模仿的暴力美學”。它依靠自身巨大的質量，利用引力這一質量的本源屬性，將物質粗暴地壓縮到極高溫、極高密度的狀態，從而自然而然地引發聚變反應。太陽的質量大小與元素組分，從根本上決定了它的聚變功率（星等）和壽命演化（穩態）。

太陽內部的物理過程極端復雜——以至于誕生了專門的“天體物理學”學科——但其應對策略卻極端簡潔：只需將足夠多的物質聚集在一起，引力自身便會完成其余一切。這本質上是用最簡單的手段應對最復雜的物理現象，是一種物理上的極致之美。然而，人類顯然無法通過堆積天文數字級別的物質來復制這一過程，但其核心邏輯——利用某種“約束”力量來實現聚變條件——被我們充分借鑒，并演化出了人工核聚變的兩大主流分支：慣性約束與磁約束。

圖一 恒星——天然的聚變能源：宏觀穩定（聚變放能，結果），微觀極不穩定（等離子體控制，過程）

2.人工聚變的兩種范式：慣性控制結果，磁控制過程

慣性約束聚變，是從恒星引力的“質量約束”思路發展而來，可以理解為對質量這一物理屬性的初級利用。其核心邏輯是“打時間差”：給一塊含有聚變燃料的靶丸施加一個巨大的、瞬間的驅動力，讓靶丸材料在由于自身慣性還來不及飛散的極短時間內（百皮秒級，一百億分之一秒），在極高的溫度和密度下完成聚變反應。核武器、激光聚變、Z箍縮都是這一范式的典型代表。

慣性約束的精髓在于，它不需要在聚變反應過程當中對等離子體進行任何中間控制，只需在精確的理論指導下精心設計聚變的初始條件（驅動能量與靶丸初始位形），并接受最終結果（聚變放能）。只要初始條件設計得足夠匹配，整個聚變過程就會“自動”完成并趨向于一個高增益的結果。這種僅“控制”起點與終點的思維，使得它的理論研究體系相對較早趨于完備。

磁約束聚變則另辟蹊徑。它試圖用磁場在空間中有形地“編織”一個籠子，將高溫的等離子體燃料長時間地束縛在其中，使其持續發生聚變反應，托卡馬克、仿星器是其主要代表。不同于慣性約束的“粗放”，磁約束需要精確地、細致地去控制聚變反應的全過程，包括等離子體的穩定性、密度和溫度。這帶來了極其復雜的物理與控制難題——從微觀上看，等離子體極其不穩定，如何實現長時間的穩態約束，是磁約束路線幾十年來一直在探索的核心問題。

這兩條路線的底層邏輯差異，直接導致了它們截然不同的研究路徑與當前困境。慣性約束是“理論牽引工程”：物理認知在上世紀中期就已基本清晰，主要任務是如何建造更大能量的“驅動器”（從原子彈、激光裝置到Z箍縮裝置），是一個持續聚焦于解決工程問題的過程。而磁約束則是“工程探索理論”：通過建造像JET、TFTR、ITER這樣的巨型裝置，在其上反復實驗，來探索和攻克燃燒等離子體的控制問題，始終在“物理問題”的泥潭中前行。截至2026年，全球聚變技術路線仍處于不同發展階段，遠未收斂。

純聚變的“永遠50年”：增益、氚自持與耐輻照材料的三大共性瓶頸

無論是慣性約束還是磁約束，當它們從純科學問題轉向能源應用時，都不得不面對三個極其艱巨的共性瓶頸。這也是“核聚變永遠是50年”這一調侃背后的冰冷現實。

1.聚變增益的閾值要求：Q值的巨大鴻溝

從商用能源角度出發，一個最基本的鐵律是：電站自身運行所消耗的電能，不能超過其總發電功率的10%，否則便不具備經濟性。這要求聚變堆的物理增益（Q值）必須超過一個由發電效率（約30%-40%）和裝置加熱效率共同決定的嚴苛門檻。

圖二 從點火到能源四個必不可少的重大轉變

磁約束：以最樂觀的估計，其裝置加熱效率可達50%，那么其最低Q值要求也高達60。而作為國際標桿的ITER裝置，理想的設計科學目標僅僅是Q≥10。

慣性約束（激光）：激光器的電光轉換效率極低（不到1%），這意味著若要滿足自用電占比小于10%的要求，其所需Q值將達到驚人的3000。NIF實現點火后，Q值達到了4.1，雖然已是最偉大的里程碑，但離商用還有近三個數量級的差距。

慣性約束（Z箍縮）：Z箍縮的加熱效率可達15%，因此其商用化所需的Q值閾值為200。當前工程能力可及的60兆安級裝置上，可實現約100倍的增益。

問題的嚴重性在于，氘氚聚變反應具有極強的“正反饋”效應：溫度每升高一倍，反應速率便提升一到兩個數量級。這種特性使得等離子體極度不穩定，要精確地控制并在提升Q值的道路上穩步前進，每一步都異常艱難。

圖三 上世紀末至今，氘氚聚變科學研究Q值歷年最高紀錄，紅、綠色為慣性約束，橙、藍色為磁約束

2.耐輻照材料：尚未找到可行路徑的“中子之殤”

氘氚聚變會產生一個14.1MeV的高能中子，其對材料的輻照損傷用dpa值（原子平均離位次數）來衡量。在中子轟擊下，一個材料內部的每一個原子平均被撞擊移位一次，定義為1 dpa。以ITER為例，目標聚變功率是500MW（折合發電功率~150MW），按照ITER官方說明，其實際運行時間僅為設計壽命的1%，在這種條件下對結構材料的耐輻照能力設計要求為3dpa，照此推算，一座能長期穩定運行（負荷因子~90%），熱功率500MW級聚變電站要求材料耐輻照能力將達到數百dpa（如果是百萬千瓦電站，或者是更先進的緊湊型聚變堆，聚變功率密度更大，要求更高）。這是一個什么概念？目前，我們在裂變堆中表現最好的材料，其極限也就在50-60 dpa。過去三十年，科學界為尋找這樣的超級材料已經付出了巨大努力，但至今還沒有找到可行的路徑。這不僅僅是“做不到”，而是“目前還不知道該如何做到”。耐輻照材料問題，已成為純聚變堆走向現實的最大、最確定的瓶頸。

3.氚自持：一個無法回避的燃料悖論

氘氚聚變所需的燃料“氚”，在自然界中的儲量為零。氚具有放射性，半衰期僅為12.3年，這意味著任何庫存都會快速衰變殆盡。目前，全球僅有的十余公斤氚庫存，主要來源于重水反應堆的副產物，是極其稀有的戰略資源。

一個百萬千瓦級的純聚變電站，每年將消耗約150公斤的氚。這意味著，如果不能實現燃料在堆內“自持”（即自己生產自己消耗），那么整個聚變能產業將無以為繼。理論上，最有效的產氚方式是用聚變產生的高能中子與鋰-6反應。但問題是，一次氘氚聚變只放出一個中子，這個中子與鋰反應最多也只能生成一個氚。考慮到中子必然存在的各種損耗（被結構材料吸收、泄漏等），要維持氚的平衡已極其困難，更不用說實現增殖。傳統方案試圖用鈹或鉛來“放大”中子，理論上可做到最高約1.05倍的放大系數，而實驗驗證的結果大致在0.8，存在巨大缺口。

結論已然清晰：從商用能源角度判斷，無論哪種技術途徑，純聚變在增益、材料、燃料三方面都面臨著巨大甚至無解的技術鴻溝。這促使科學家們另尋他路，一種將“聚變”與“裂變”巧妙結合的一攬子解決方案——聚變裂變混合堆，應運而生。

混合堆：一攬子解決方案的技術邏輯與獨特優勢

聚變裂變混合堆并非一個新概念，但其真正煥發生命力，在于選擇一個“性能足夠好”的聚變核心，使其能與一個“足夠簡單”的裂變包層完美結合，實現1+1>>2的效果。

1.解決問題的基本邏輯：用裂變的優勢彌補聚變的短板

混合堆的基本構想是，用一個聚變中子源驅動一個處于深次臨界狀態的裂變包層。這個簡單的結構變化，卻帶來了顛覆性的連鎖反應：

能量增益的飛躍：裂變包層可以將聚變釋放的一個中子的能量放大15-20倍。例如，一個本身聚變增益（Q值）為100倍的Z箍縮堆芯，在20倍裂變能量增益的加持下，其總能量增益將飆升至2000倍。扣除各種效率損耗后，其“電-電”增益仍可達60～90倍，遠遠超過了10%自用電的經濟性門檻。

徹底解決氚自持問題：裂變是放大中子的“神器”。一個聚變中子打入裂變材料（如鈾-238），可以引發裂變鏈式反應，放出多達4個以上新中子。即便考慮各種損耗，中子數量也能實際放大兩倍以上。有了充足的中子，產氚便不再是難題。在保證其它性能的同時，氚增殖比（TBR）依然可在1.2以上，最高可達~1.5，意味著除了自持，還能大量向外供應。

繞過耐輻照材料瓶頸：引入裂變后，同等總功率下，對聚變功率的需求降低了數十倍。更重要的是，慣性約束聚變是一個“點源”，可以通過將聚變靶室（第一壁）設計得比較大，利用距離平方反比定律，將高能中子通量降低數倍到一個數量級。綜合這些因素，混合堆第一壁材料每年的中子損傷可以降至2.3 dpa的水平。這意味著，目前現有的、成熟的裂變堆材料就足以滿足混合堆30年的壽命要求，無需再苦苦等待數百dpa以上的超級材料。

2. Z箍縮：驅動混合堆的理想引擎

要驅動一個高效的混合堆，需要一個“聚變性能足夠好”的中子源。在眾多路線中，Z箍縮技術脫穎而出。

Z箍縮，又被稱為“窮人的ICF”，其原理是用強大的脈沖電流通過金屬絲陣，產生的洛倫茲力在極短時間內（百納秒）將等離子體壓縮到極高密度和溫度，進而產生強烈的X射線輻射，驅動聚變靶丸內爆。它之所以成為驅動混合堆的理想選擇，基于以下幾點：

能量可達性：Z箍縮是目前除了核試驗外，唯一被驗證能夠在實驗室條件下提供10兆焦耳量級驅動能量的慣性約束路線。美國1988年的地下核試驗已經證實，10兆焦耳能量可“確定”實現高增益聚變。激光路線目前的工程能力在2~3兆焦耳。

物理完備性：Z箍縮的物理描述已經非常完備，分解驗證充分。其最大的工程技術難點——重頻運行和長壽命器件——在過去十年已取得決定性突破。

工程與成本優勢：Z箍縮裝置的核心部件是電容器和開關，沒有昂貴的高功率激光元器件，也沒有復雜的超導磁體系統。其建造成本與其它聚變技術路線相比有著天然的巨大優勢。一個功率相當的Z箍縮混合堆，其造價預估與“華龍一號”這樣的三代核電相當。

3.關鍵技術突破：從“單次”到“重頻”的跨越

將Z箍縮從實驗室單次爆炸，轉變為能連續輸出的能源，核心在于兩大“重中之重”的技術：

能源靶設計：以彭先覺院士為代表的中國團隊，原創提出了“局部體點火”技術。這使得在品質要求相對不高的10兆焦耳Z箍縮輻射驅動下，依然能實現高增益、皮實的聚變點火。相比激光靶，Z箍縮的能源靶尺寸大十倍，工藝精度要求卻低一到兩個數量級，這為未來大規模、低成本制備鋪平了道路。

重頻驅動器：這是將單次聚變轉化為重復聚變的基礎。得益于俄羅斯發明的LTD（直線變壓器驅動源）模塊化技術，2014年已實現0.1Hz（即10秒一次，恰恰是商用目標頻率）的近萬次連續運行。更大的突破在于其核心放電組件的壽命，已從2015年的不足十萬次，在實驗室中提升到了百萬次級別，這為實現年運行千萬次以上的商用目標提供了堅實信心。

Z箍縮混合堆：一個完整的能源系統藍圖

基于以上技術邏輯，澤塔聚變科技團隊繪制了一個名為Z-FFR（Z箍縮聚變裂變混合堆）的完整能源工程系統藍圖。這不再是某個孤立的物理概念，而是一個從商業應用終端需求出發，全棧考慮、全要素論證的系統工程。

1.系統方案與核心指標

Z-FFR的設計方案如下：

圖四 百萬千瓦Z-FFR電站示意圖

聚變堆芯：150兆瓦（熱功率）的Z箍縮聚變中子源，運行頻率0.1Hz。

裂變包層：包覆率超過97%的深次臨界能源包層，使用乏燃料作為原料。

總熱功率：聚變功率經包層20倍放大后，達到3000兆瓦（3GW）。

電力輸出：配合常規30%發電效率的汽輪機組，可輸出1000兆瓦（1GW）的電功率，凈能量增益超過60倍，計入電站所有運行消耗后的電能輸出比例在95%以上。

固有安全：裂變包層始終處于深次臨界狀態，任何極端情況下都無法產生臨界安全風險，安全本質得到保障，可抵近城市建造，實現熱電聯供。

燃料循環：利用過剩中子，不僅實現氚自持（TBR≥1.24），還能將裂變產生的長壽命錒系核素“變廢為寶”就地焚燒掉，基本不產生需要地質處置的高放廢物。僅此一項，就為核廢料處理這一世界性難題提供了終極解決方案。

2.跨越純聚變的“資源陷阱”

純聚變能還面臨一個常被忽視的資源問題：產氚所需的鋰。如果人類全部能源轉向純聚變能源，全球探明的鋰資源將在不足百年內耗盡，這與化石能源并無本質區別。而Z-FFR結合了裂變，其主要能量（約95%）來自地球上儲量更為豐富的鈾、釷資源，并且具備極強的電站調頻調峰能力，可以與風、光、核組成較理想的能源共生體系。如此，現有探明的地球鈾、釷、鋰地質資源總量，足以維持人類數千年的能源供給。這使得Z-FFR能夠成為未來人類能源供給的“千年可靠基石”。

3.中國特色方案的底氣與自主性

受控慣性約束聚變脫胎于戰略武器技術，其技術擴散長期局限于核大國之間。歷史證明，在這一領域的重大技術突破關口，中國“可能會遲到，但從未缺席”。自2001年起，中國工程物理研究院的“五位一體”Z箍縮團隊便開始了系統性的研究。2006年，中國科學家原創提出了高增益能源靶概念，從物理底層解決了Z箍縮聚變的關鍵設計問題。這與美國同行（如Sandia實驗室）在同一時期陷入的困境形成了鮮明對比。美國能源部2025年發布的《聚變供應鏈報告》中明確指出，其國內Z箍縮公司的唯一瓶頸正是“靶的設計問題”，而中國恰恰在此擁有世界領先的原創優勢。

2021年12月，中國國家批復建設Z箍縮聚變點火裝置，而美國至今未完成此一步。這表明，在Z箍縮混合堆這條通往未來能源的道路上，中國已經形成了領先、自主、原創的完整技術體系，掌握了參與未來全球聚變能源競爭的底氣。

從理論到應用：澤塔聚變的商業計劃與未來圖景

技術的終點是應用。澤塔聚變團隊，作為國內唯一全鏈條深耕Z箍縮技術的老中青三代核心隊伍，已經制定了清晰、務實的商業化路線圖。

1.堅實的積累：從實驗室到全鏈條閉環

這支團隊對聚變裂變混合堆的探索，并非始于今日的創業熱潮。自2011年起，他們便開始進行關鍵技術攻關，截至2026年，已完成六大工藝系統的單項攻關，實現了從理論模型到關鍵部件原型的全鏈條、閉環技術驗證。這是任何一個PPT創業團隊都無法比擬的深厚壁壘。目前，團隊已形成近200項覆蓋全部核心技術的技術秘密群，并計劃在未來三年內轉化為專利、軟著等知識產權組合。

2.務實的商業化里程碑

澤塔聚變的商業計劃分為兩大階段、五個步驟：

圖五 Z-FFR電站商業計劃

第一階段（2026-2032）：工程驗證與中試平臺

2026年：建成重頻驅動器原理樣機，攻克最大瓶頸。

未來2-3年：建設多路重頻驅動器工程原型裝置，集成演示模塊、靶產線與氚回路，建成“零功率”實驗堆，完整演示除高聚變中子外的所有混合堆工藝過程。

2030-2032年：建成聚變堆中試平臺，核心是能實現10秒一次連續運行、聚變功率100兆瓦級聚變堆芯，驗證重頻技術的長期可靠性。

第二階段（2032-2040）：示范工程與商用電站

與業主單位（如核電集團）合作，首先建設100萬千瓦熱功率的供熱堆示范，通過實際運行，考核和驗證能源裝置運行的穩定性、可靠性、可維護性等全方位工程性能，優化和完善工程細節設計。

2035-2040年：建成并網發電的首臺百萬千瓦級Z箍縮聚變裂變混合堆商用示范電站，成本與三代核電相當，開啟真正的聚變能時代。

3.不僅僅是發電：一個強大的能源與產業共生平臺

Z-FFR的遠景遠不止于基荷發電。由于其獨特的脈沖運行特性（10秒一次），它擁有天然的跨數量級的強大功率調峰能力。這使得Z-FFR能與風電、光伏等不穩定的可再生能源完美互補，將高達80%的“垃圾電”轉化為優質電力，形成一個高效、經濟、智慧的能源生態系統。同時，其強大的中子通量、便捷的利用方式可以成為生產醫用同位素、進行材料改性的理想平臺，“沿途下蛋”的潛力巨大。

問答

Q1：純聚變作為未來的基核能源，很難突破的關鍵問題有哪些？

A：從工程應用角度看，純聚變能源實現商業化面臨三大難以短期突破的核心瓶頸。第一是堆芯材料瓶頸，適配聚變極端環境的耐輻照材料暫無解決方案，是制約工程落地的關鍵障礙。第二是氚資源瓶頸，氚在自然界儲量為零，純聚變堆難以實現氚自持，在實現氘氦?3、氫硼等難度更高的聚變反應前無法回避。第三是聚變增益瓶頸，純聚變增益需在現有基礎上提升一至兩個數量級才能滿足商用要求，受物理規律限制，短時間內是難以突破的，這也是核聚變 “永遠還有50 年” 的核心原因。綜合來看，純聚變能源走向工程化與規模化應用仍需漫長周期。

Q2：中國為什么能在Z箍縮聚變裂變混合堆這個方向上引領世界？

A：中國能在Z 箍縮聚變裂變混合堆領域引領世界，既有技術突破也有非技術因素，核心差異集中在聚變靶設計與方案可行性。美國相關團隊近 30 年始終未能攻克 Z 箍縮聚變靶設計難題，這也是其國內代表性企業的核心瓶頸，即便有優質資源也無法高效利用，難以做出實用化混合堆。美國 2006 年曾提出混合堆概念，但因聚變性能不足，裂變部分設計復雜，采用類似熔鹽堆的結構，高溫強輻射下材料腐蝕問題無法解決，方案僅停留在紙面，2008 年后便停滯。我國依托彭先覺院士團隊，將武器物理技術深度應用，從底層物理層面突破 Z 箍縮聚變靶設計難題，為混合堆奠定核心基礎。這一原創性突破，讓我國在該領域形成自主領先優勢，也是我國能率先推進聚變混合堆工程化的關鍵原因。

鈦資本研究院觀察

回到那個根本問題：什么才是人類未來能源的可靠基石？純聚變雖美好，卻被增益、材料、燃料三大現實瓶頸牢牢鎖在“永遠的50年”迷霧之中。而澤塔聚變團隊提出的Z箍縮聚變裂變混合堆方案，以其獨特的物理設計、扎實的工程驗證和清晰的系統邏輯，向我們展示了一條“柳暗花明又一村”的現實道路。

它用成熟的裂變技術“托舉”起尚顯稚嫩的聚變技術，不僅掃清了純聚變商業化道路上的所有主要障礙，還巧妙地解決了核廢料處理、資源可持續性等裂變能自身的頑疾。它根植于中國科學家的原創思想，脫胎于核武器研究的深厚積累，并正以一個全棧頂尖團隊的堅定步伐，從理論走向應用。

聚變裂變混合堆，不是科幻小說中的終極幻想，而是基于物理定律和工程現實的、可預期的未來。它很可能不是聚變能研究的“過渡方案”，而恰恰是將支撐人類文明走向下一個千年的、最穩定、最可靠、最現實的能源基石。而中國，正站在這條道路的引領位置。