火熱的核聚變賽道，被狠狠潑了盆冷水？

“中國環(huán)流三號”，圖片來源：核工業(yè)西南物理研究院

撰文 | 戴晶晶

人類到底什么時候才能實現(xiàn)可控核聚變？這個問題或許并不關(guān)鍵，因為通過建設聚變電站來供給電力可能并沒有商業(yè)價值。

3月23日，蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）的研究團隊在《自然·能源》（Nature Energy）發(fā)表論文指出，主流技術(shù)路線的聚變發(fā)電廠經(jīng)驗率（Experience Rate）僅有2%-8%，遠低于目前聚變商業(yè)公司的假設。[1]

論文一作、蘇黎世聯(lián)邦理工學院在讀博士生湯靈熹（Lingxi Tang）向《知識分子》解釋，所謂“經(jīng)驗率”是衡量技術(shù)學習效應的重要指標，其標準定義是累計產(chǎn)量每增加一倍時，單位成本下降的百分比。

例如，太陽能光伏（PV）的經(jīng)驗率通常可達20%左右，這意味著每當累計產(chǎn)量翻一番，其單位成本便會下降約20%。[2]

“如果經(jīng)驗率僅有2%-5%，即使未來部署規(guī)模大幅增長，成本下降也將十分有限，缺乏經(jīng)濟競爭力。“湯靈熹說，“以及現(xiàn)在還不存在聚變電廠，諸多工程和材料問題還未解決，無法準確評估其初始成本。”

因此，論文的政策簡報提議，除非開發(fā)出具有不同特性的新設計，否則政策制定者不應將聚變能源作為未來清潔能源體系的核心支柱，也不應為其提供資金支持。[3]

此篇論文無疑給火熱的聚變賽道潑了盆冷水，但在業(yè)界也引發(fā)了質(zhì)疑。麻省理工學院（MIT）孵化的商業(yè)聚變公司CFS現(xiàn)任CEO鮑勃·蒙加德（BobMumgaard）在采訪中直言，該研究團隊既未參與聚變產(chǎn)業(yè)實踐，也未聯(lián)系他或“任何正在建造聚變電站的人”，結(jié)論未必充分反映行業(yè)現(xiàn)狀。[4]

事實上，多年來國內(nèi)外圍繞核聚變的爭論從未停歇。借此機會，《知識分子》采訪了論文作者以及多位國內(nèi)聚變領(lǐng)域的科研和產(chǎn)業(yè)界人士，希望為這場討論提供更多視角和信息。

01 復雜不是優(yōu)勢

1936年，航空工程師西奧多·萊特（Theodore Wright）通過分析飛機制造數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，每當累計產(chǎn)量翻一倍，單位成本便會按一定比例下降。[5]

這一規(guī)律被稱為“萊特定律”（Wright's Law），用來描述某項技術(shù)在規(guī)模化生產(chǎn)過程中不斷降本的現(xiàn)象，即“邊做邊學”（Learning by doing）的典型體現(xiàn)，如今已被廣泛用于汽車、光伏、電池等產(chǎn)業(yè)的研究。

在萊特定律框架下，不同技術(shù)間的經(jīng)驗率存在顯著差異，較高的經(jīng)驗率往往意味著更快的降本速度和更強的商業(yè)化潛力。

比如1976年-2019年期間，太陽能組件的價格從每瓦106美元降至0.38美元，降幅達99.6%，使太陽能成為世界上最便宜的電力來源之一。[6]電動汽車和鋰電池等技術(shù)也展現(xiàn)出了顯著的經(jīng)驗曲線，推動其走向大規(guī)模商業(yè)化。

作為一種新型能源技術(shù)，可控核聚變在過去幾年吸引了大量市場和政策關(guān)注。支持者認為，聚變有望提供近乎無限、清潔且廉價的能源，從根本上改變?nèi)蚰茉大w系。

“一些聚變公司和專家聲稱聚變能像太陽能一樣價格快速下降，”湯靈熹說，“但似乎沒有證據(jù)來檢驗這說法。”

湯靈熹等人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有聚變成本的預測研究主要通過主觀設定經(jīng)驗率，或借用其他技術(shù)類別的經(jīng)驗率參數(shù)。這導致目前文獻資料采用的8%-20%經(jīng)驗率范圍可能并不準確。

某項技術(shù)的經(jīng)驗率主要基于歷史成本數(shù)據(jù)估算，而聚變尚未實現(xiàn)商業(yè)化部署，缺乏可供分析的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。因此，蘇黎世聯(lián)邦理工學院研究團隊轉(zhuǎn)而從技術(shù)特征推斷主流核聚變路線的經(jīng)驗率。

已有研究表明，設備規(guī)模、設計復雜度和定制化程度是影響經(jīng)驗率的關(guān)鍵因素。研究人員通過專家訪談評估未來聚變電站在這三個維度上的特征，再與經(jīng)驗率已知的成熟技術(shù)進行比較，從而推導出聚變電站可能的經(jīng)驗率范圍為2%-8%。

湯靈熹提到，在專家訪談過程中，受訪者幾乎一致將聚變電站評價為高度復雜的技術(shù)系統(tǒng)。

“很多科學家對此感到自豪，在他們看來，能夠?qū)崿F(xiàn)可控核聚變本身會是一項壯舉。”湯靈熹說，“但復雜性恰恰可能成為限制成本快速下降的因素。對于發(fā)電技術(shù)而言，無論電力來自何種能源，最終決定其競爭力的仍然是成本。”

難以實現(xiàn)小型化是聚變電廠經(jīng)驗率較低的另一個重要原因。根據(jù)該研究的訪談，專家普遍認為聚變電站的規(guī)模下限較高，單機容量難低于200兆瓦。

“目前主流的氘氚（D-T）聚變路線會產(chǎn)生高能中子，需要厚重的屏蔽層來保護設備和周邊環(huán)境，這對反應堆尺寸提出了要求。”

湯靈熹同時表示，另一方面，聚變反應本身存在明顯的規(guī)模經(jīng)濟效應，如果等離子體體積過小，其表面積與體積之比會顯著增大，熱量更容易散失，維持聚變反應所需的能量成本也會隨之上升。

聚變電站與陸上風電、光伏電池板、鋰電池和核裂變電站經(jīng)驗曲線對比[1]

不過，研究團隊也強調(diào)，目前關(guān)于經(jīng)驗率決定因素的理解仍存在局限性。設備規(guī)模、設計復雜度和定制化需求與經(jīng)驗率之間的關(guān)系，更多體現(xiàn)為相關(guān)性而非嚴格的因果關(guān)系。

2024年4月，蘇黎世聯(lián)邦理工學院卡特琳·西弗特（KatrinSievert）等人在《Joule》發(fā)表論文，首次提出了可以用上述三個特征來預測新興技術(shù)的經(jīng)驗率，并通過對聚光槽式光熱發(fā)電、陸上風電和光伏歷史成本的回溯測試一定程度驗證了該方法的可靠性。[7]

“論文發(fā)表后，確實引發(fā)了一些爭議。有的說終于有人開始質(zhì)疑核聚變是否值得如此大規(guī)模投資，也有人認為我們的方法并不夠嚴謹。”

湯靈熹指出：“但到目前為止，我還沒有看到任何批評能夠從根本上推翻我們的結(jié)論。因為據(jù)我所知，這是第一篇基于歷史理論和證據(jù)，而非主觀假設，來估算核聚變經(jīng)驗率的研究。”

02 “吞金巨獸”？

核聚變是輕原子核結(jié)合成較重原子核并放出巨大能量的過程，聚變電站旨在從反應堆中獲取這種能量以發(fā)電。由于聚變原材料資源相對豐富，且不會產(chǎn)生二氧化碳和長期存在的放射性廢物，被視為是人類解決能源問題的重要出路。

目前主流聚變反應使用氘和氚作為燃料。美國能源部稱，僅1克氘氚燃料所釋放的聚變能量，就相當于約2400加侖石油的能量。[8]

相比核裂變所需的重核素，核聚變的燃料儲量更為充足。例如，氘在自然界中大量存在，每6500個氫原子中就有一個是氘。氚具有放射性且半衰期較短，故只有極少量氚天然存在，但可以通過中子轟擊鋰同位素的方式來生產(chǎn)。

然而，即使燃料成本能得到控制，考慮到聚變電站的低經(jīng)驗率，一旦初始建設的資本支出（CAPEX）過高，聚變發(fā)電將難以保證經(jīng)濟性。

通過專家評估和文獻資料梳理，蘇黎世聯(lián)邦理工學院團隊發(fā)現(xiàn)，由于低技術(shù)成熟度，學界和業(yè)界對于首臺聚變電站的資本支出尚無廣泛共識，其成本估計范圍從每千瓦裝機容量1400美元到43000美元不等。[1]

“和公共部門專家相比，私營部門專家在成本估算方面表現(xiàn)出的態(tài)度更加樂觀。”湯靈熹說。論文提及，私營部門專家給出的聚變電站資本支出平均估計約為每千瓦7000美元，而公共部門專家的平均估計約為每千瓦26000美元。

不過無論是樂觀還是謹慎，當下關(guān)于聚變發(fā)電成本的討論都缺乏實際商業(yè)項目的驗證。迄今為止，全球尚未建成一座商業(yè)聚變發(fā)電廠，而標桿性的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）預算已達數(shù)百億歐元量級，可謂“吞金巨獸”。

1988年，美國、前蘇聯(lián)、歐盟、日本共同啟動了計劃，目標為建造一個可自持燃燒的核聚變實驗堆。2006年，ITER正式啟動建設，由35個國家共同參與。

自啟動以來，ITER遭遇了多次延期和嚴重的成本超支問題。2024年7月，ITER組織總干事彼得羅·巴拉巴斯基宣布調(diào)整ITER路線圖，導致其成本再增加50億歐元。[9]此前，ITER官方估算的總成本已從2006年的60億歐元上升至200億歐元。[10]

假設核聚變電廠最終建成，實現(xiàn)商業(yè)成功也并非順理成章，它仍需在成本、可靠性和部署速度等方面與其他低碳能源技術(shù)展開競爭。

“人類社會對能源的需求會持續(xù)增長，清潔能源肯定越多越好。”湯靈熹表示，但如果聚變電站單體投資高達數(shù)十億美元，而現(xiàn)有技術(shù)能夠以更低成本實現(xiàn)同樣目標，那么市場未必會為聚變買單。

“為什么要多花多么錢，而不是直接去增強電網(wǎng)基礎設施，更多部署太陽能和儲能，或者建設配套碳捕集技術(shù)（CCS）的天然氣電站？”湯靈熹說。

埃隆·馬斯克也曾公開唱衰核聚變，稱“在地球上建造小型核聚變反應堆愚蠢至極”。他指出，太陽本身已是一個巨大、免費的核聚變反應堆，應停止在小型聚變堆上浪費金錢。[11]

但隨著近兩年人工智能（AI）快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心用電需求激增，市場對于穩(wěn)定、低碳且可全天候運行的新型能源技術(shù)寄予更高期待，且伴隨著多種材料和技術(shù)的突破，聚變發(fā)電獲得了更多關(guān)注。

據(jù)核聚變產(chǎn)業(yè)協(xié)會（FIA）統(tǒng)計，截至2025年6月，全球聚變開發(fā)企業(yè)在過去12個月內(nèi)共募集資金26.4億美元，同比增長180%；53家聚變企業(yè)累計融資額已達到97.66億美元。[12]

03 降本的希望

由于蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究團隊僅評估了以氘氚燃料為基礎的磁約束和慣性約束聚變路線，部分業(yè)內(nèi)人士批評，該研究沒有充分考慮近年來商業(yè)聚變公司探索的其他技術(shù)路徑，存在局限性。

此外，也有觀點認為，論文對影響聚變降本潛力的關(guān)鍵因素考慮不足，尤其是在零部件迭代和制造模式等方面。

“這篇論文作為學術(shù)討論沒什么問題，作為政策參考可能不合適。”北京大學應用物理與技術(shù)研究中心研究員康煒告訴《知識分子》，聚變發(fā)電廠經(jīng)驗率的估計值，是一個主觀感受占主導的數(shù)值，因人而異，因方法而異。從2%-20%都不奇怪，分別代表對技術(shù)發(fā)展的保守和樂觀估計，當前的估計只是參考。

從實際建造進展來看，CFS的CEO鮑勃·蒙加德指出，聚變電站在產(chǎn)品制造速度以及各類零部件成本下降方面已經(jīng)展現(xiàn)出明確趨勢，且遵循當代工業(yè)體系的發(fā)展邏輯。

康煒也贊同，當前聚變領(lǐng)域正處于多項關(guān)鍵技術(shù)快速發(fā)展的階段。

“具體來看，高溫超導強磁體推動了約束技術(shù)進步，先進制造技術(shù)讓此前不被看好的仿星器路線重新受到重視，而AI技術(shù)的發(fā)展則有望提升等離子體長時間穩(wěn)定控制能力。”他說。

“這篇論文的基本結(jié)論我們是認同的。”清華大學工程物理系副教授、星環(huán)聚能首席科學家譚熠對《知識分子》表示。

星環(huán)聚能成立于2021年，是一家脫胎于清華大學工程物理系聚變實驗室的核聚變商業(yè)公司。2026年5月，星環(huán)聚能完成5億元人民幣A+輪融資，估值突破10億美元，躋身獨角獸行列。

譚熠坦言，因為未來聚變堆各個部件現(xiàn)在還完全沒有報價，聚變能的經(jīng)濟性比較麻煩，正向研究很難。“后來我想了個辦法，正向推導聚變能的經(jīng)濟性很難的話，那我們就反過來研究。”

他的計算方法是，假設一個100萬千瓦的聚變電站，造價為1000億人民幣，使用壽命40年，成本、發(fā)電小時數(shù)、融資利息均參考現(xiàn)有核電的水平，考慮燃料成本、建造成本和運維成本，可以得到聚變的度電成本構(gòu)成里絕大部分是聚變堆的建造成本及其資金利息帶來的分攤。

“因此，要降低聚變堆平準化度電成本，必須要降低聚變堆的造價。”譚熠說。

星環(huán)聚能同時分析了不同能源技術(shù)的降本規(guī)律。他們發(fā)現(xiàn)，某種技術(shù)或者產(chǎn)品能否快速降價，主要取決于零部件數(shù)量，以及能夠自動化生產(chǎn)的零部件占比有多高。或者說，人工參與越多的技術(shù)就越難降低成本。

“光伏零部件數(shù)量可能是以百計，成本下降得特別快。風電零部件數(shù)量以萬計，成本下降速度就慢了不少。現(xiàn)有裂變核電零部件數(shù)量按百萬計，成本就很難降低。”

譚熠指出，這些結(jié)論的意義在于，如果要讓聚變能走向千家萬戶，必須從源頭就降低聚變堆的復雜度，縮小聚變堆的體積。想通過先做個很大很復雜很昂貴的聚變堆，再去批量生產(chǎn)降低成本是很難的。

星環(huán)聚能選擇的技術(shù)路線為球形托卡馬克+高溫超導。譚熠稱這是對現(xiàn)有最成功的托卡馬克技術(shù)路線的大膽創(chuàng)新，能夠大幅縮小體積，并通過重復脈沖運行和磁重聯(lián)加熱，大幅降低復雜度。

“我們認為只有這樣才有機會把聚變能做得足夠的便宜。”他說：“當然也有一些其他路線更加簡單，更加緊湊，造價肯定會更低。但問題在于他們過往的歷史數(shù)據(jù)非常的不充分，不足以支撐我們基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)去設計未來的聚變堆，我認為這些技術(shù)路線也很難。”

譚熠認為，一方面原材料需要降低成本；另一方面，加工制造以及安裝，如果有新的模式，是有機會大幅降低聚變堆的成本，實現(xiàn)非線性的成本變化。

“按照現(xiàn)在ITER的造價外推的話，聚變電站的造價確實很高，經(jīng)濟地聚變發(fā)電非常困難。”

但譚熠依舊表示，星環(huán)聚能未來的示范電站可以大幅降低成本。初期目標是經(jīng)過一次迭代后，讓聚變電站的成本降到跟現(xiàn)有核電差不多的水平。后期希望通過各種加工制造技術(shù)的升級，進一步降低聚變堆的造價，逼近聚變電力的邊際成本，也就是聚變?nèi)剂铣杀荆阆聛砻慷入姴粫^一分錢。

04 永遠迷人，永遠遙遠

“聚變實現(xiàn)了應該最終一定會有商業(yè)競爭力的。但不一定會很快。”康煒說，主要的理由是其它形式的能源總功率有一個上限，在某個時間點會滿足不了人類的需求。

自20世紀30年代科學家們認識到核聚變以來，利用這一原理來獲取幾乎無窮無盡的能源便成為了人類的夢想。但經(jīng)過近百年的研究，聚變能源仍未能向電網(wǎng)凈輸出一度電。

小規(guī)模實現(xiàn)核聚變并不困難，但產(chǎn)生的能量遠低于投入。1934年，卡文迪許實驗室研究團隊就通過高能氘離子轟擊富含氘的目標，產(chǎn)生了氦-3和氚，首次實現(xiàn)了核聚變的實驗演示。[13]

1950年代，氫彈的出現(xiàn)證明核聚變能夠獲得凈能量，卻只能以不可控且極具破壞性的方式實現(xiàn)。

1957年，英國科學家J.D.勞森提出勞森判據(jù)（Lawson criterion），即為了實現(xiàn)自持核聚變，聚變裝置的能量增益因子Q應當不低于1，由此可以推導出等離子體的溫度、密度和能量約束時間的乘積（聚變?nèi)胤e）需要達到的數(shù)值。比如，ITER的目標是達到Q＞10的增益，三重積的數(shù)值需要＞6 × 1021 m?3?s?keV。[14]

在可控核聚變發(fā)展的黃金期，聚變?nèi)胤e的提升速度一度堪比摩爾定律。1996年左右，日本的JT-60U以氘-氘為燃料，其聚變?nèi)胤e記錄曾達到1.5乘以10的21次方，聲稱等效氘氚已實現(xiàn)Q＞1。[15]而歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）在1997年的氘氚實驗中創(chuàng)造了Q=0.67的紀錄。[16]

然而進入21世紀后，聚變?nèi)胤e和Q值的提升明顯停滯。等離子體不穩(wěn)定性、熱負荷管理以及能量提取效率等問題突出。

此外，如果使用氘氚作為燃料，聚變發(fā)電廠還必須同時解決高能中子損傷、氚燃料的增殖與回收、材料耐受性等一系列工程挑戰(zhàn)。[17]

“氘氚聚變跟其他能源很難競爭。不說其他能源，跟裂變都很難競爭，因為原料稀缺性和安全性問題與裂變類似，但堆的復雜度及能量導出方式明顯不如裂變。”AI+聚變公司瞬原科技創(chuàng)始人、前新奧集團聚變理論模擬首席科學家謝華生告訴《知識分子》，聚變能源要成功，幾乎必然要做先進燃料。

他提到1983年MIT核工程教授勞倫斯·M·利德斯的論文，后者論述了氘氚聚變很有可能因為太昂貴和不可靠而無法實現(xiàn)商業(yè)化應用。[18]

湯靈熹提及，一些中國商業(yè)聚變公司正在探索氘-氘（D-D）等先進燃料路線，有望擺脫對氚燃料及其配套系統(tǒng)的依賴。“如果不需要氚，整個聚變系統(tǒng)被簡化，將利于成本下降。”

不過，氘氚聚變之所以是主流，正是因為它是目前已知最容易實現(xiàn)的可控聚變反應。氘氘和氫-硼11等先進燃料雖然有望降低未來電站的復雜度，但都需要更苛刻的反應條件，即更高的三重積。

湯靈熹最后補充稱，核聚變目前仍處于早期的發(fā)展階段。“這也是為什么我認為，至少在當前階段，不應該把核聚變視為應對全球變暖的主要解決方案。”他說，“因為我們甚至不知道，第一座真正的聚變電站還需要多久才能出現(xiàn)。”

目前，商業(yè)核聚變公司的時間線可以稱得上激進。

比如美國公司Helion計劃在2028年前為微軟供應電力，CFS則希望在2030年代初通過首座商業(yè)聚變電廠ARC實現(xiàn)并網(wǎng)供電。在中國，星環(huán)聚能的目標是2030年到2035年，建成可輸出電能的聚變反應示范堆。

從聲量和資本熱度來看，可控核聚變似乎正在迎來最好的時代。但這一切的前提，是其工程化與商業(yè)化進程能在未來5至10年內(nèi)經(jīng)受住現(xiàn)實檢驗。

參考資料：

• [1]Tang, Lingxi, Bessie Noll, Anurag Panda和Tobias S. Schmidt. 《Fusion Power Experience Rates Are Overestimated》. Nature Energy, 2026年3月23日, 1～9. https://doi.org/10.1038/s41560-026-02023-8.
• [2]La Tour, Arnaud de, Matthieu Glachant, Yann Ménière. 《Predicting the costs of photovoltaic solar modules in 2020 using experience curve models》. Energy 62 (2013年12月): 341～48. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.09.037.
• [3]《Fusion power unlikely to become competitive | Nature Energy》. https://www.nature.com/articles/s41560-026-02022-9.
• [4]Reuters. LIVE: Reuters NEXT Newsmaker with Commonwealth Fusion Systems CEO Bob Mumgaard. 2026. 34:47. https://www.youtube.com/watch?v=D-bqUXjeyvY.
• [5]Wright, T. P. 《Factors Affecting the Cost of Airplanes》. Journal of the Aeronautical Sciences 3, 期 4 (1936): 122～28. https://doi.org/10.2514/8.155.
• [6]Roser, Max. 《Why Did Renewables Become so Cheap so Fast?》 Our World in Data, 2020年12月1日. https://ourworldindata.org/cheap-renewables-growth.
• [7]Sievert, Katrin, Tobias S. Schmidt和Bjarne Steffen. 《Considering Technology Characteristics to Project Future Costs of Direct Air Capture》. Joule 8, 期 4 (2024): 979～99. https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.02.005.
• [8]《DOE Explains...Deuterium-Tritium Fusion Fuel | Department of Energy》. https://www.energy.gov/science/doe-explainsdeuterium-tritium-fusion-fuel.
• [9]《New baseline to prioritize robust start to exploitation》. https://www.iter.org/node/20687/new-baseline-prioritize-robust-start-exploitation.
• [10]Delasnerie, Alix. ITER Financing by the EU Budget - State-of-Play.
• [11]https://x.com/elonmusk/status/2000331928109809757?lang=en
• [12]《Over $2.5 Billion Invested in Fusion Industry in Past Year - Fusion Industry Association》. https://www.fusionindustryassociation.org/over-2-5-billion-invested-in-fusion-industry-in-past-year/.
• [13]Oliphant, M.L.E., Harteck, P. and Rutherford, E. (1934) Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen. Proceedings of the Royal Society A, 144, 692-703.
• https://doi.org/10.1038/133413a0
• [14]https://www.iter.org/few-lines
• [15]Kishimoto, H., M. Nagami和M. Kikuchi. 《Recent results and engineering experiences from JT-60》. Fusion Engineering and Design 39～40 (1998年9月): 73～81. https://doi.org/10.1016/S0920-3796(98)00270-1.
• [16]《History of Fusion》. EUROfusion, https://euro-fusion.org/fusion/history-of-fusion/.
• [17]Rubel, Marek. 《Fusion Neutrons: Tritium Breeding and Impact on Wall Materials and Components of Diagnostic Systems》. Journal of Fusion Energy 38, 期 3 (2019): 315～29. https://doi.org/10.1007/s10894-018-0182-1.
• [18]Lidsky, Lawrence M. 《The Trouble With Fusion》, MIT Tech Review. 1983.