人造太陽技術(shù)領(lǐng)先的國家有哪些，具體到了什么階段？
在人造太陽技術(shù)領(lǐng)域，美國、中國、歐盟、日本、韓國、俄羅斯等國家和地區(qū)處于領(lǐng)先地位，以下是這些國家和地區(qū)在該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展階段介紹：
美國：美國擁有世界上最大的激光約束聚變裝置 —— 國家點火裝置（NIF）。該裝置于 1997 年開工，2009 年正式落成，投資約 35 億美元。其目標(biāo)是點火實現(xiàn)自持聚變反應(yīng)，能把 200 萬焦的能量通過 192 條激光束聚焦到一個很小的點上，產(chǎn)生類似恒星和巨大行星內(nèi)核以及核爆炸時的溫度和壓力。2012 年，NIF 發(fā)射出的激光達到 2.03 兆焦，成為世界上首個 2 兆焦能量的紫外激光。勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室的科研團隊在慣性約束聚變中實現(xiàn)了 “燃料增益”，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大約是以前紀錄的 10 倍。
中國1：中國在人造太陽領(lǐng)域發(fā)展迅速，已逐步進入世界第一梯隊。2024 年中國環(huán)流三號（HL-3）實現(xiàn) 150 萬安培電流的高約束模等離子體運行，自主研發(fā)的高功率高頻率（105GHz）回旋管、數(shù)字孿生系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備首次投入運行，裝置運行參數(shù)和控制水平穩(wěn)居世界前列。2025 年 1 月，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）首次創(chuàng)下 “1 億攝氏度 1000 秒” 的長脈沖高約束模等離子體運行世界紀錄，這一成就標(biāo)志著中國在聚變能源研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從基礎(chǔ)科學(xué)向工程實踐的重大跨越，為未來聚變示范電站的建設(shè)奠定了堅實的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。此外，中國聚變堆八分之一真空室及總體安裝系統(tǒng)通過專家組測試與驗收，系統(tǒng)研制水平及運行能力達到國際先進水平；強流直線等離子體裝置 “赤霄” 研制成功，使中國成為繼荷蘭之后世界上第二個擁有此類裝置的國家，為研制 “人造太陽” 的關(guān)鍵材料提供了重要工具。
歐盟：歐盟參與了國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，該計劃是當(dāng)今世界迄今為止最大的熱核聚變實驗項目，旨在在地球上模擬太陽的核聚變，利用熱核聚變?yōu)槿祟愄峁┣鍧嵞茉?span style="-webkit-font-smoothing: antialiased;box-sizing: border-box;-webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0);overflow-anchor: auto;">3。ITER 計劃由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國七方合作，目前正在不斷突破難題取得建設(shè)進展1。歐盟自身也有一些聚變研究設(shè)施，如德國的 Wendelstein 7 - X 仿星器裝置，在仿星器技術(shù)路線上不斷取得成果，為磁約束聚變研究提供了重要的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。
日本：日本在核聚變研究方面有著長期的投入和積累。日本 1998 年成功研制核聚變反應(yīng)堆上部螺旋線圈裝置和高達 15 米的復(fù)雜真空頭，標(biāo)志日本已突破建造大型核聚變實驗反應(yīng)堆的技術(shù)難點。其 JT - 60SA 托卡馬克研究裝置在托卡馬克技術(shù)路線上不斷進行實驗和研究，在等離子體物理研究、核聚變材料研發(fā)等方面取得了一定的成果，為 ITER 計劃以及未來本國的核聚變發(fā)展提供了技術(shù)支持。
韓國：韓國的 KSTAR 超導(dǎo)托卡馬克裝置是其人造太陽研究的重要成果。該裝置在超導(dǎo)磁體技術(shù)、等離子體控制等方面取得了不少進展，能夠?qū)崿F(xiàn)較高參數(shù)的等離子體運行。韓國也在積極推進核聚變技術(shù)的發(fā)展，通過參與國際合作以及自身的研究項目，不斷提升在該領(lǐng)域的技術(shù)水平，目標(biāo)是在未來實現(xiàn)核聚變能的應(yīng)用。
俄羅斯：俄羅斯擁有 T - 15MD 托卡馬克裝置等研究設(shè)施，在磁約束核聚變領(lǐng)域有一定的技術(shù)積累。俄羅斯在核聚變技術(shù)的某些方面，如等離子體物理理論研究、核聚變裝置的工程設(shè)計等方面具有一定的優(yōu)勢，并且也在不斷推進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，與其他國家開展合作，共同推動人造太陽技術(shù)的進步。
人造太陽離實用還有多久？
根據(jù)目前的研究進展和相關(guān)規(guī)劃，人造太陽距離實用化可能還需要 20 - 30 年左右的時間17。
中國按照核能發(fā)展 “熱堆 — 快堆 — 聚變堆” 三步走戰(zhàn)略，預(yù)計核聚變應(yīng)用將在 2045 年左右進入示范階段，有望在 2050 年前后實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電17。這一判斷是基于中國在人造太陽領(lǐng)域的快速發(fā)展和不斷取得的突破，如 2024 年中國環(huán)流三號實現(xiàn) 150 萬安培電流的高約束模等離子體運行，2025 年 1 月全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）首次創(chuàng)下 “1 億攝氏度 1000 秒” 的長脈沖高約束模等離子體運行世界紀錄等6。然而，后續(xù)還需突破穩(wěn)態(tài)運行、材料與工程、經(jīng)濟性等瓶頸17。
國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯、美國七方合作，目前正在不斷突破難題取得建設(shè)進展，預(yù)計 2034 年開始實驗6。工程完工后，預(yù)計從 2035 年開始將向全球提供無盡的清潔能源，不過這也只是實驗階段，距離真正的商業(yè)化實用還有很長的路要走3。
一些私營企業(yè)也在積極推動人造太陽技術(shù)的發(fā)展，部分企業(yè)認為首座聚變電廠有望在 2030 年代初實現(xiàn)，但私營企業(yè)的技術(shù)路線和發(fā)展情況仍存在較大不確定性6。
人造太陽投入商業(yè)使用的最大難點是什么？
人造太陽投入商業(yè)使用的最大難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
為什么說人造太陽一定能夠?qū)崿F(xiàn)
說人造太陽一定能夠?qū)崿F(xiàn)，是基于其巨大的潛在價值、技術(shù)上不斷取得的顯著進展以及全球范圍內(nèi)的高度重視和廣泛合作。具體如下：
巨大的潛在價值
能源供應(yīng)：人造太陽利用核聚變產(chǎn)生能量，其燃料氘和氚在地球上的儲量極為豐富。據(jù)估算，海水中的氘足夠人類使用數(shù)十億年，而鋰（用于生產(chǎn)氚）的儲量也相當(dāng)可觀。這意味著一旦人造太陽技術(shù)成熟并商業(yè)化應(yīng)用，將為人類提供幾乎取之不盡、用之不竭的清潔能源，從根本上解決能源短缺問題。
環(huán)境友好：核聚變反應(yīng)過程中不產(chǎn)生溫室氣體，也不會像核裂變那樣產(chǎn)生長期放射性核廢料，對環(huán)境的影響極小。在全球面臨氣候變化和環(huán)境污染挑戰(zhàn)的背景下，人造太陽技術(shù)有望成為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，為人類創(chuàng)造一個更加清潔、美好的未來。
技術(shù)進展顯著
等離子體約束：磁約束和慣性約束等技術(shù)不斷取得突破。例如，托卡馬克裝置在等離子體約束方面取得了長足進步，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的等離子體溫度、密度和約束時間。中國的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）多次創(chuàng)造世界紀錄，2025 年 1 月實現(xiàn)了 “1 億攝氏度 1000 秒” 的長脈沖高約束模等離子體運行，這是邁向穩(wěn)態(tài)核聚變的重要里程碑。
加熱技術(shù)：電子回旋共振加熱、離子回旋共振加熱、中性束注入加熱等多種加熱技術(shù)日益成熟，能夠?qū)⒌入x子體加熱到核聚變所需的高溫。這些技術(shù)的發(fā)展為實現(xiàn)核聚變反應(yīng)提供了有力的支撐。
理論研究：通過大量的實驗和理論研究，科學(xué)家對等離子體物理、核聚變反應(yīng)機理等方面的認識不斷深化。這有助于優(yōu)化核聚變裝置的設(shè)計和運行參數(shù)，提高核聚變反應(yīng)的效率和穩(wěn)定性。
全球高度重視與廣泛合作
政府支持：各國政府紛紛將人造太陽研究納入國家科技發(fā)展戰(zhàn)略，投入大量的資金和人力。例如，中國、美國、歐盟、日本、韓國、俄羅斯等都有各自的人造太陽研究計劃，并持續(xù)加大研發(fā)投入。這種政府層面的高度重視為項目的推進提供了堅實的保障。
國際合作：國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃是全球規(guī)模最大的國際科技合作項目之一，由七方共同參與。通過整合各方的資源和技術(shù)優(yōu)勢，共同攻克人造太陽技術(shù)難題。這種國際合作模式有助于加速技術(shù)研發(fā)進程，避免重復(fù)研究，提高研究效率。
人才培養(yǎng)：隨著人造太陽研究的不斷深入，培養(yǎng)了一大批專業(yè)人才。這些人才在等離子體物理、材料科學(xué)、工程技術(shù)等多個領(lǐng)域具備深厚的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗，為項目的持續(xù)發(fā)展提供了強大的人才儲備。
雖然目前人造太陽技術(shù)還面臨著一些挑戰(zhàn)，但基于其巨大的潛在價值、技術(shù)上的不斷突破以及全球范圍內(nèi)的積極推動，有充分的理由相信人造太陽最終一定能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，為人類帶來無盡的清潔能源。
人造太陽的技術(shù)成熟后，其發(fā)電成本預(yù)計會是多少？
目前很難準確預(yù)計人造太陽技術(shù)成熟后的發(fā)電成本，但有分析認為度電成本有望非常低，甚至可能會跌破 0.001 元8。以下是對成本的具體分析：
燃料成本：人造太陽主要燃料是氘和氚，氘大量存在于海水中，每升水可提取約 0.035 克氘，通過聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒 300 升汽油的能量，提取成本相對較低7。氚可通過中子轟擊鋰來制備，鋰在地殼、鹽湖和海水中儲量豐富7。雖然目前國際市場上氚的價格較高，每公斤約 3000 萬美元，但隨著技術(shù)發(fā)展，如在聚變裝置內(nèi)壁加一層鋰，利用聚變產(chǎn)生的中子轟擊鋰原子核來產(chǎn)生氚，可降低氚的成本，長遠來看，燃料成本有望忽略不計5。
設(shè)備建設(shè)和維護成本：以國際熱核聚變實驗堆（ITER）為例，這個多國參與的項目總投資多次增加，目前預(yù)計超過 200 億歐元，約合人民幣 1500 億元以上，其中昂貴的超導(dǎo)材料占了成本的很大一部分，約 35%5。不過，隨著技術(shù)不斷提升，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)搭建和完善，聚變反應(yīng)堆的造價會逐漸下降5。如果反應(yīng)堆的使用壽命延長到 30 年以上，初始投資將攤薄到較低水平5。在設(shè)備維護方面，當(dāng)技術(shù)成熟后，設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性會提高，維護的頻率和成本可能會有所下降，但由于聚變裝置的復(fù)雜性和特殊性，維護成本仍可能占一定比例。
運營成本：人造太陽運行需要消耗大量能量來維持高溫、高壓等條件，但技術(shù)成熟后，能量增益效率提高，實現(xiàn)能量輸出大于輸入的凈能量增益，運營成本將隨之降低3。而且，與傳統(tǒng)能源相比，人造太陽發(fā)電幾乎不產(chǎn)生溫室氣體和長期放射性核廢料，在環(huán)境治理和廢物處理方面的成本極低4。
總體而言，人造太陽技術(shù)成熟后，在燃料、設(shè)備、運營等方面成本都有望降低，具有潛力提供低成本的能源。但這需要技術(shù)的持續(xù)進步、產(chǎn)業(yè)鏈的完善以及裝置的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用來實現(xiàn)。
人造太陽實現(xiàn)商業(yè)運營的臨界點是什么？
人造太陽實現(xiàn)商業(yè)運營的臨界點主要包括技術(shù)、經(jīng)濟、安全與環(huán)境等多個方面的關(guān)鍵指標(biāo)和條件，具體如下：
技術(shù)層面
能量增益：能量增益因子（Q 值）是衡量核聚變反應(yīng)效率的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng) Q 值達到并穩(wěn)定超過 1，意味著核聚變產(chǎn)生的能量大于輸入的能量，實現(xiàn)了能量的凈輸出。國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃的目標(biāo)是達到 Q=10，即輸出能量是輸入能量的 10 倍，這將是邁向商業(yè)運營的重要里程碑。
等離子體約束與穩(wěn)定性：需要實現(xiàn)長時間、高約束的等離子體運行。例如，能夠持續(xù)穩(wěn)定地將等離子體約束在特定的磁場位形中，維持足夠高的溫度和密度，以保證核聚變反應(yīng)持續(xù)進行。目前，一些實驗裝置已取得了一定進展，如中國的 EAST 裝置實現(xiàn)了 “1 億攝氏度 1000 秒” 的長脈沖高約束模等離子體運行，但距離商業(yè)運營所需的連續(xù)穩(wěn)定運行時間（如數(shù)千小時甚至更長）還有差距。
核聚變材料：開發(fā)出能夠承受核聚變高溫、高壓、強輻射等極端條件的高性能材料至關(guān)重要。這些材料不僅要具備良好的機械性能和熱導(dǎo)率，還要有低的氚滯留率和抗輻照損傷能力。目前，相關(guān)材料的研發(fā)仍在進行中，如鎢基材料、碳化硅復(fù)合材料等被視為有潛力的候選材料，但還需要進一步優(yōu)化和驗證。
工程技術(shù)集成：要實現(xiàn)商業(yè)運營，需要將核聚變裝置與配套的發(fā)電、能量轉(zhuǎn)換、冷卻等系統(tǒng)進行高效集成，形成一個穩(wěn)定、可靠、高效的能源生產(chǎn)系統(tǒng)。這涉及到多個學(xué)科和領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新，包括電氣工程、機械工程、控制工程等，確保整個系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地運行，并且具備較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
經(jīng)濟層面
成本降低：包括建設(shè)成本和運營成本。一方面，通過技術(shù)進步和規(guī)?；a(chǎn)，降低核聚變裝置的建設(shè)成本，使單位裝機容量的投資成本大幅下降。另一方面，提高裝置的運行效率和可靠性，降低運營維護成本，使度電成本能夠與傳統(tǒng)能源或其他可再生能源相競爭。據(jù)一些研究預(yù)測，當(dāng)度電成本降低到一定水平（如低于 0.1 美元 / 千瓦時），人造太陽將具備商業(yè)競爭力。
投資與回報：吸引足夠的商業(yè)投資是實現(xiàn)商業(yè)運營的關(guān)鍵。這需要讓投資者看到明確的盈利前景，即通過合理的電價機制和商業(yè)模式，能夠在一定的投資回收期內(nèi)獲得可觀的經(jīng)濟回報。例如，建立合理的電力銷售價格體系，與電網(wǎng)等相關(guān)部門達成合作協(xié)議，確保核聚變發(fā)電能夠順利進入市場并獲得相應(yīng)的經(jīng)濟收益。
安全與環(huán)境層面
安全性：確保核聚變裝置的安全性是商業(yè)運營的前提。核聚變反應(yīng)本身具有內(nèi)在的安全性，不會像核裂變那樣發(fā)生失控的鏈式反應(yīng)。然而，仍需要解決如等離子體破裂、高溫部件故障等潛在的安全問題，建立完善的安全防護系統(tǒng)和應(yīng)急處理機制，保障工作人員和周邊環(huán)境的安全。此外，還需要獲得相關(guān)安全監(jiān)管部門的認可和批準，滿足嚴格的安全標(biāo)準和規(guī)范。
環(huán)境友好性：雖然核聚變被認為是環(huán)境友好型能源，不產(chǎn)生溫室氣體和長期放射性核廢料，但在運行過程中仍可能產(chǎn)生一些短期放射性物質(zhì)。因此，需要確保這些放射性物質(zhì)的排放符合環(huán)境標(biāo)準，對環(huán)境的影響降至最低。同時，要向公眾充分宣傳核聚變的環(huán)境優(yōu)勢，提高公眾對人造太陽的接受度。
商業(yè)運營的人造太陽對環(huán)境有什么影響？
商業(yè)運營的人造太陽被認為是一種環(huán)境友好型能源，對環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
積極影響
溫室氣體排放極少：人造太陽利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量，主要燃料是氘和氚，反應(yīng)過程中不涉及化石燃料的燃燒，因此幾乎不會產(chǎn)生二氧化碳、甲烷等溫室氣體，對減緩全球氣候變暖具有重要意義。
放射性廢料少：與核裂變相比，核聚變產(chǎn)生的放射性廢料相對較少，且放射性半衰期較短。核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的放射性主要來自于中子轟擊反應(yīng)堆內(nèi)壁材料使其活化，但這些材料的放射性通常在幾十年內(nèi)就會衰減到較低水平，遠低于核裂變產(chǎn)生的高放射性、長壽命核廢料，處理和處置的難度及環(huán)境風(fēng)險相對較小。
資源消耗低：人造太陽的燃料來源豐富，氘大量存在于海水中，而氚可以通過中子與鋰的反應(yīng)來制備，鋰在地球上的儲量也較為可觀。相比傳統(tǒng)化石能源，其對有限資源的消耗極低，有助于緩解資源短缺問題。
潛在負面影響及應(yīng)對措施
電磁輻射：人造太陽裝置在運行過程中會產(chǎn)生一定的電磁輻射。但通過合理設(shè)計裝置的磁場結(jié)構(gòu)、采用有效的電磁屏蔽措施，可以將電磁輻射控制在安全范圍內(nèi)，使其對周圍環(huán)境和生物的影響極小。
光污染：核聚變反應(yīng)過程中會產(chǎn)生強烈的光，可能會對周邊環(huán)境造成一定的光污染。不過，通過優(yōu)化裝置設(shè)計，將強光限制在反應(yīng)室內(nèi)，并采取適當(dāng)?shù)恼诠獯胧梢詼p少對外部環(huán)境的光污染。
廢熱排放：商業(yè)運營的人造太陽在發(fā)電過程中會產(chǎn)生大量廢熱，需要通過冷卻系統(tǒng)將熱量排出。如果廢熱排放不當(dāng)，可能會對周邊水體或空氣環(huán)境造成一定的熱污染。但通過采用高效的冷卻技術(shù)和合理的散熱方案，如利用冷卻塔或海水冷卻等方式，可以將廢熱排放對環(huán)境的影響降低到可接受的程度。
人造太陽的能量輸出能滿足城市的電力需求嗎？
理論上，人造太陽的能量輸出能夠滿足城市的電力需求，原因如下：
能量產(chǎn)出率高：核聚變反應(yīng)釋放能量的效率遠高于核裂變1。一克重氫可產(chǎn)生相當(dāng)于燃燒 8 噸汽油的能量，一公斤氘 - 氚混合物可以產(chǎn)生約 9000 萬千瓦時的電力，相當(dāng)于 3000 噸標(biāo)準煤34。有專家預(yù)測，商業(yè)化的聚變電站裝機規(guī)?？蛇_普通核電站的 10 倍以上，一個省或一個區(qū)域可能只需幾座聚變電站就能滿足供電需求1。
燃料供應(yīng)充足：人造太陽主要燃料是氘和氚，氘大量存在于海水中，每升水可提取約 0.035 克氘，通過聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)于燃燒 300 升汽油的能量。氚可通過中子轟擊鋰來制備，鋰在地殼、鹽湖和海水中儲量豐富，能為持續(xù)的核聚變反應(yīng)提供充足燃料，保障能量持續(xù)穩(wěn)定輸出3。
不過，要實際滿足城市電力需求，還需解決一些問題：
技術(shù)成熟度：目前人造太陽技術(shù)仍處于研發(fā)和實驗階段，雖然取得了不少突破，如 2025 年 3 月 28 日，“中國環(huán)流三號” 首次實現(xiàn)原子核和電子溫度均突破一億度，但距離長時間、穩(wěn)定地輸出滿足城市需求的電力還有差距，需要進一步提升技術(shù)水平，實現(xiàn)更高的能量增益和更穩(wěn)定的等離子體約束2。
工程化與商業(yè)化：實現(xiàn)人造太陽從實驗裝置到商業(yè)化運營的轉(zhuǎn)變，需要解決工程技術(shù)集成、成本控制、安全保障等一系列問題。只有當(dāng)這些問題得到有效解決，人造太陽才能真正走向商業(yè)化應(yīng)用，為城市提供電力。
