未來能源，照亮人類的未來
來源：光明網(wǎng) 時間：2026-01-26 14:26
能源，是人類文明的基石。然而，傳統(tǒng)能源的枯竭危機(jī)與環(huán)境重壓，讓尋找可持續(xù)的未來能源成為重要的時代命題。令人欣喜的是，一批創(chuàng)新性能源技術(shù)正蓄勢待發(fā)：“人造太陽”點(diǎn)燃終極能源夢想，液氫為多元能源體系提供穩(wěn)定支撐，月球氦-3開辟太空能源利用新疆界……這些技術(shù)既是破解當(dāng)下能源困境的鑰匙，也是塑造未來能源格局的支柱，它們的每一次進(jìn)步，都將重構(gòu)人類與能源的關(guān)系，照亮人類文明的永續(xù)征程。
“人造太陽”：為人類提供“終極能源”
作者：（合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院聚變研究中心主任）
太陽，滋養(yǎng)了地球萬物，其能量來源是什么？諸多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽能量來自氫等輕元素的核聚變。這讓人們看到核聚變能源的廣闊前景，不少人將它稱為人類的“終極能源”，在地球上開發(fā)的可控核聚變裝置便被稱為“人造太陽”。如果能利用可控核聚變反應(yīng)在地球上造出一個“太陽”，人類就如同擁有了一座原料不竭且無污染的發(fā)電廠，能實現(xiàn)水清天藍(lán)、能源永續(xù)，并可利用這種高效能源飛出太陽系，成為真正的太空文明。
合肥的“東方超環(huán)”全超導(dǎo)托卡馬克裝置。胡海林?jǐn)z
為此，全球科學(xué)家已經(jīng)努力70余年，我國開展可控核聚變研究也已超過半個世紀(jì)，并由早期的跟跑、并跑，發(fā)展到部分領(lǐng)跑階段。
2025年，合肥的“東方超環(huán)”全超導(dǎo)托卡馬克裝置已經(jīng)實現(xiàn)了1066秒的長脈沖高約束模放電，但是其能量約束時間為0.1~0.2秒。
這意味著什么？
影響可控核聚變實現(xiàn)的是三個核心參數(shù)的乘積：等離子體溫度、密度、約束時間。溫度是實現(xiàn)核聚變的必要條件，對于氘氚聚變來說，其合適的聚變溫度在1億度到2億度之間，對于氘氘聚變及氫硼聚變，其合適聚變的溫度需要再提高10倍以上。密度越高，原子核碰撞越多，聚變功率越高。
能量約束時間比較難理解。簡單來說，它是指每個粒子平均參與聚變的時間。由于原子核的體積非常小，每次碰撞，撞到一起的概率非常小，即便正面碰到一起，也不一定能發(fā)生原子核聚變?nèi)诤?。如果一次沒碰撞上，兩個粒子朝著反向飛遠(yuǎn)，那之前加速粒子所花費(fèi)的能量，就白白浪費(fèi)了。
因此，我們需要設(shè)計這樣一種環(huán)境，使得兩個粒子第一次沒有碰到，下次還有機(jī)會再發(fā)生碰撞。這就像在操場的環(huán)形跑道跑步的兩個人，只要保證這兩個人始終留在跑道上，第一次相遇沒有碰到一起，那繞一圈后總還能再碰上。而能量約束時間，可以認(rèn)為是這兩個人在跑道上的平均停留時間。
要真正實現(xiàn)發(fā)電，核聚變實驗裝置必須能達(dá)到上億度高溫、長時間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，并且具有可控性。因此，“東方超環(huán)”一方面創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，對人類加快實現(xiàn)聚變發(fā)電具有重要意義；另一方面，還需要繼續(xù)延長能量約束時間，至少要達(dá)到數(shù)秒量級，保證等離子體之間的充分碰撞時間，才有可能實現(xiàn)聚變輸出能量大于輸入能量。目前提高能量約束時間最有效的手段是提高聚變堆中超導(dǎo)磁場強(qiáng)度，而這意味著成本的大幅上升。
因此，距離未來建成聚變電站，我們還有很長的路要走。
探究可控核聚變的發(fā)展歷史會發(fā)現(xiàn)，可控核聚變領(lǐng)域的競爭，更多的是綜合國力的競爭?？煽睾司圩兩婕暗膶W(xué)科種類繁多，技術(shù)門檻高、工程復(fù)雜，具有漫長創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，這使得其發(fā)展并不依賴某一項或某幾項技術(shù)突破，而是有賴于整體技術(shù)工程水平、人才和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢的提升，因此需要鼓勵國內(nèi)更多企業(yè)和高校院所研發(fā)團(tuán)隊參與其中。
液氫：為多元能源體系提供穩(wěn)定支撐
作者：王輝（中國航天科技集團(tuán)有限公司第六研究院研究員）
液氫是破解氫能大規(guī)模儲運(yùn)瓶頸的核心路徑。相較于高壓氣態(tài)儲氫，其單位體積氫質(zhì)量密度更高，輸運(yùn)能耗損失降低約30%，安全性更優(yōu)；與固態(tài)儲氫相比，液氫無需復(fù)雜吸氫、釋氫環(huán)節(jié)，使用便捷且配套成本更具規(guī)?；瘽摿ΑＭ瑫r，液氫可彌補(bǔ)管道輸氫建設(shè)周期長、基建投入大、儲存不靈活等短板，實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)配送。
憑借其高能量密度，液氫可適配重型卡車、遠(yuǎn)洋船舶、航空等長距離大運(yùn)量場景，如液氫燃料電池重型卡車?yán)m(xù)航達(dá)到1000余公里，優(yōu)于傳統(tǒng)動力電池。在能源領(lǐng)域，液氫作為長周期大容量儲能載體，可將新能源間歇性電力轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，解決可再生能源供需空間錯配問題，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性與清潔能源消納能力。在工業(yè)領(lǐng)域，高純度液氫是綠色化工、半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵原料。作為航天航空領(lǐng)域核心的推進(jìn)燃料，液氫也是未來太空探索的理想能源動力之一。
液氫重型卡車。作者供圖
此外，液氫的規(guī)模化應(yīng)用可牽引上游綠電制氫升級，帶動中游低溫裝備與高端材料創(chuàng)新，激活下游多元應(yīng)用，構(gòu)建“新能源發(fā)電制氫—儲輸—用氫”閉環(huán)，降低化石能源依賴，增強(qiáng)能源供應(yīng)安全性與多元化，助力我國在全球能源轉(zhuǎn)型競爭中占據(jù)主動。
當(dāng)前，我國氫液化、低溫儲運(yùn)、加注等核心環(huán)節(jié)均實現(xiàn)全面突破，已落地2~10噸/天氫液化裝置，單位能耗降至12度電以下。30噸級氫液化工藝已完成研制，裝置單位能耗低于10度電，低溫儲罐日蒸發(fā)率穩(wěn)定在0.3%以下，核心設(shè)備國產(chǎn)化率超過90%。目前，四川攀枝花、安徽阜陽等地依托風(fēng)光基地已構(gòu)建“綠電制氫—液氫儲輸—加注”雛形，多個示范項目穩(wěn)定運(yùn)行。
然而，液氫規(guī)?；l(fā)展仍面臨多重挑戰(zhàn)。在成本端，尚未形成規(guī)模生產(chǎn)模式，中小液化工廠能耗與運(yùn)維成本偏高，低溫儲輸設(shè)備初期投入大，終端價格高于傳統(tǒng)能源；在安全端，零下252.78℃的液氫沸點(diǎn)對全環(huán)節(jié)安全管控要求較高，部分細(xì)分領(lǐng)域安全標(biāo)準(zhǔn)不完善，風(fēng)險檢測預(yù)警與應(yīng)急體系有待健全，相關(guān)人員培訓(xùn)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；在基礎(chǔ)設(shè)施方面，液氫加注站規(guī)劃少、建成少，船舶與跨區(qū)域管道運(yùn)輸仍處于試點(diǎn)階段，物流保障能力不足，制約市場推廣。
如何破解上述難題？筆者認(rèn)為，應(yīng)以降本、安全、標(biāo)準(zhǔn)化為主線，推動“政策—場景—技術(shù)—產(chǎn)業(yè)”協(xié)同發(fā)展。政策方面，要完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加大差異化補(bǔ)貼力度，引導(dǎo)社會資本投入；場景培育方面，要優(yōu)先在港口物流、重型貨運(yùn)等領(lǐng)域示范推廣，形成技術(shù)迭代與規(guī)模效應(yīng)的良性循環(huán)；技術(shù)方面，要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同，不斷攻克核心技術(shù)，提升國產(chǎn)化率；產(chǎn)業(yè)方面，要組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟整合資源，構(gòu)建規(guī)模化生產(chǎn)基地與基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。
氦-3：為人類能源結(jié)構(gòu)帶來深刻變革
作者：李軍杰（中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院正高級工程師）
氦-3是一種惰性氣體，在多個前沿科學(xué)領(lǐng)域扮演著不可替代的角色。在低溫制冷領(lǐng)域，氦-3可為超導(dǎo)量子計算芯片、精密量子器件等研究提供接近絕對零度的極低溫環(huán)境；在中子探測技術(shù)領(lǐng)域，氦-3是核電站輻射監(jiān)測、隱藏核材料核查等領(lǐng)域高性能中子探測器的核心材料……
雖然氦-3已在眾多科學(xué)領(lǐng)域“大顯身手”，但更讓科學(xué)界寄予厚望的是，氦-3有望作為未來潛在核聚變?nèi)剂?，為人類能源結(jié)構(gòu)帶來深遠(yuǎn)變革。與當(dāng)前主流研究的氘氚核聚變相比，氦-3聚變不產(chǎn)生中子，這不僅能顯著降低反應(yīng)裝置的放射性損傷，而且?guī)缀醪粫a(chǎn)生放射性核廢料，因而被譽(yù)為一種潛在的清潔核聚變?nèi)剂稀?/p>
之所以被稱為一種“潛在”的核聚變?nèi)剂?，主要源于?3聚變反應(yīng)依然面臨兩大根本挑戰(zhàn)：一是發(fā)生氦-3聚變反應(yīng)極端苛刻的物理條件，二是氦-3資源的極端稀缺性。
首先，相比于氘氚聚變反應(yīng)，氦-3原子核間的庫倫排斥力更強(qiáng)，要實現(xiàn)聚變所需的核“碰撞”，就需要更高的溫度和壓力。理論計算表明，氦-3聚變點(diǎn)火所需溫度高達(dá)約10億℃，比氘氚核聚變反應(yīng)所需的約1億℃高出一個數(shù)量級，這對等離子體加熱技術(shù)、穩(wěn)態(tài)約束技術(shù)以及面向極高溫的材料設(shè)計都提出了極致挑戰(zhàn)。
其次，地球上氦-3資源的極端稀缺性，是制約氦-3核聚變反應(yīng)研究的另一主要障礙。據(jù)保守估計，地球上可提取的氦-3的天然儲量不足0.5噸，規(guī)模化利用可行性極低。因此，國際上開始將開發(fā)氦-3資源的目光投向月球，由于月球無磁場保護(hù)，含有大量氦-3粒子的太陽風(fēng)會直接到達(dá)并轟擊月球表面，從而將氦-3注入月表的月壤中被保存，可以說，月壤是氦-3資源的天然儲庫。估算顯示，月壤中氦-3的總儲量可達(dá)百萬噸級，若能實現(xiàn)開采，理論上可支持人類數(shù)千年的清潔能源需求。
嫦娥六號模型。新華社發(fā)
然而，月球氦-3資源的開采面臨巨大的技術(shù)壁壘，涉及月球基地建設(shè)、氦-3資源原位提取、月地運(yùn)輸?shù)葟?fù)雜的系統(tǒng)過程，需要在技術(shù)可行性、工程可行性、經(jīng)濟(jì)可行性等方面進(jìn)行充分考慮及權(quán)衡。
筆者認(rèn)為，現(xiàn)階段集中力量突破技術(shù)相對成熟的氘氚聚變，仍是實現(xiàn)可控核聚變能源的最優(yōu)先路徑。在此基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展高溫等離子體物理、先進(jìn)聚變材料以及月球氦-3資源開采等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而為未來氦-3聚變的研究奠定堅實基礎(chǔ)。雖然氦-3聚變能源之路較為漫長，但這一征程上每一個關(guān)隘的攻克，都將為人類能源的未來壘砌堅實的臺階。
責(zé)任編輯：閆弘旭
