中国核聚变产业化的迫切问题与启动能源强国战略建议

作者:复旦发展研究院 发布时间:2023-03-15 来源: 澎湃新闻+收藏本文

作  者

张  军 复旦大学文科资深教授,复旦大学经济学院院长,发展研究院副院长、中国经济研究中心主任

石  烁 复旦大学发展研究院博士后,复旦平安宏观经济研究中心特聘研究员

汤维祺 复旦大学发展研究院、上海能源与碳中和战略研究院青年副研究员



美东时间2022年12月13日,美国能源部宣布核聚变点火“成功”。换言之,核聚变反应产生的能量首次超过聚变点火输入能量,实现能量净增益。美国能源部将这次点火“成功”视为通向聚变商业发电的里程碑式技术突破。美国核聚变点火“成功”极大地鼓舞了美国科创资本积极布局能源关键技术链、产业链、价值链,这对中国能源产业具有重要的战略启示。


我们建议,中国应着手规划一个国家级的能源强国发展战略。能源强国战略应纳入核聚变产业化议题,更要特别关注国家能源总体安全,鼓励科研技术渐进式和颠覆式并重的包容式进步,推进能源-资本-所有制的平衡稳定发展。为此,中国应立足“3060”双碳目标,构建多能互补的能源发展格局。立足安全稳妥,推进核电发展。立足社会主义市场经济体制,发挥国有资本的主体作用和社会资本的创新潜力。


图片


当地时间2022年12月5日,美国加州,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施的目标室,192束激光束向一个微小的燃料球传递了超过200万焦耳的紫外线能量,以产生聚变点火。视觉中国 图


不充分的成功

中国应注意美国推动核聚变点火实验的重要目的是促进核聚变产业的市场化,鼓励科创资本积极投资核聚变市场。不过,虽然美国能源部高调宣布这次核聚变点火实验是一次“里程碑式技术突破”,但无论从技术上还是商业价值上,将这次点火包装为“成功”实属勉强。另外,这次点火利用了美国研究核武器的国家实验室设备,由此增加了国际社会对美国规避《全面禁止核试验条约》并进行氢弹物理核试验的担忧。再者,美国在核聚变装备制造方面仍然面临工程技术制约以及中国自身快速科技进步的挑战,这让点火“成功”是否会提升美国对华的科技优势也呈现疑问。


从这些方面看,这次点火是不充分的“成功”。不仅如此,这样的“成功”甚至还要加上问号。具体讲,点火“成功”至少存在至少引发了三重质疑,包括技术成本质疑、核道德质疑、对华优势质疑。


1. 亏本的点火技术


点火“成功”是否意味着这项技术实现了商业盈利呢?远远不是。实际上,这项实验室技术能否成功转化为商业用途仍然存在巨大疑问。


支撑点火“成功”的关键证据是能量净增益,即核聚变反应产生的能量超过了聚变点火输入能量。在这次实验中,美国科研团队利用脉冲激光向实验氘氚靶丸输入了2.05兆焦耳的能量,产生了3.15兆焦耳的聚变能量,能量增益达到1.5倍。看样子,能量净增益确实实现了。但是,这个能量净增益只考虑了输入能量,没有考虑产生这些输入能量所需要的能量总消耗。实际上,为了产生输入所用的脉冲激光,点火装置共需要消耗超过300兆焦耳的能量,结果才换取得了3.15焦耳的聚变能量。结算下来,总和能量转换比率还不足百分之一。


另外,单次点火的经济成本仍然极为高昂。目前,仅一次点火就需要花费10万美元以上。问题是,根据美国能源部的评估,维持商业发电能力至少需要每秒点火10次。按目前的成本,这样的核聚变电厂在点火这一项每秒就至少花费100万美元,这还没有考虑其他运营成本支出。所以从运营总和成本角度讲,点火技术仍会导致巨额亏损。


即使美国能够承受如此高昂的点火成本,点火的工程效率也无法满足商业化要求。仅仅为实现一次点火,美国科研团队需要数百小时建设、调试并运行点火装置。点火后,还需要花费更长时间分析数据,总结工程经验。这样的工程效率虽然体现了美国研究团队扎实严谨的科研作风,但还是达不到保持每秒至少10次点火的工程效率要求,也就无法支撑民用电厂规模的可持续发电能力。


那么,如此高昂的经济成本和扎实严谨的工程效率是否能让点火装置产生出民用电厂规模的巨大能量呢?答案也是否定的。实际上,占地3个标准足球场大小的点火装置在本次“成功的”实验中只产生了3.15兆焦耳能量,不到0.9度电,仅够一个60瓦灯泡点亮不到15小时。这样捉襟见肘的发电量当然难以达到民用电厂规模的发电能级。


图片


当地时间2022年12月5日,美国加州,为了产生聚变点火,国家点火设施的激光能量在空腔内转换成x射线,然后压缩燃料胶囊,直到它内爆,产生高温高压等离子体。视觉中国 图


2. 试探核道德边界


面对点火技术低效率的质疑,一些研究指出,点火实验使用的是20世纪80年代至90年代的激光工程装置。一旦使用现代激光装置,聚变能量转换效率就会大幅度提高。这样的借口很容易让公众偏信美国核聚变实验采用“激光点火”的技术路线纯粹是出于工程技术的考虑。但是,美国其实很难撇清“激光点火”与核试验的关系,这会产生严重的核道德质疑。


为什么“激光点火”会引发核道德质疑?这就与“激光点火”的技术起源有关。要知道,“激光点火”更为严谨的名称应为惯性约束聚变。通俗地讲,这样复杂的惯性约束聚变本质上类似于汽车发动机气缸的点火。换言之,实现“激光点火”需要一套“发动机气缸”作为实验装置。在这次实验中,科研团队使用的是“国家点火装置”,而这套“发动机气缸”来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室。


问题首先出在这家实验室的背景。1952年正值冷战高峰,美国为应对来自苏联的核威胁决定成立利弗莫尔实验室。从此,该实验室就致力于研发先进核武器科技。当然,利弗莫尔实验室也推进了核技术的民用化转型,并在核技术研发过程中不断产生重大衍生技术。但是,这些民用技术的开发过程会产生新的资金、应用场景、合作伙伴等资源,从而反过来用于利弗莫尔实验室对核武器技术的研发。“激光点火”技术和国家点火装置也概莫能外地成为该实验室服务美国核威慑战略的重点项目。


另一个更值得关注的问题是,“激光点火”技术的出现与氢弹技术密切相关。20世纪50年代美国在氢弹实验取得成功后,就着力探索将氢弹技术转化为能源技术,也就是将氢弹核聚变反应产生的巨大能量用来发电。与氢弹不同的是,“激光点火”所用的聚变材料极少。所谓聚变材料就是核聚变发生的载体。“激光点火”本质上仍然可以看成是某种规模极小的氢弹物理试验,这就与美国所宣传的能源技术研究产生了矛盾。


虽然“激光点火”并没有达到氢弹爆炸威力的能级,但是“激光点火”却折射出了美国坚持研究氢弹物理试验以此保持核武威慑的战略动机。美国通过“激光点火”试探核道德边界的行为值得国际社会的高度警惕。


3. 难以形成对华技术绝对优势


除了应对能源问题和保持核武威慑,美国推动核聚变点火技术另一个目的是保持对华技术优势。20世纪90年代以来,中国在核聚变领域不断追赶国际一流水平。根据规划,中国以现有中、大型托卡马克装置为依托,瞄准国际核聚变前沿课题研究,在磁约束聚变领域已建立了近期、中期和远期技术目标。最终到2060年前,中国或将发展聚变电站,探索聚变商用电站的工程、安全、经济性。


可以说,在核聚变领域,中国和美国形成了旗鼓相当的格局,这让美国既深受震撼也深感威胁。为加快美国核聚变科技和产业发展速度,美国国会近年来不断提高对美国能源部的预算拨款,并着重强化核聚变科研资金投入。


但是,在核聚变领域夺取对华技术绝对优势只能是美国一厢情愿的幻想。美国大可以不断加大对核聚变科研和产业化的投入,但是美国没有能力阻止中国核聚变的自主进步,更无法阻止中国形成核聚变供应链的国产化体系。


美国政局博弈核聚变政策

细心一些就会发现,美国能源部这场关于“激光点火”技术的新闻发布会有着很高的政治规格。发布会上,能源部部长格兰霍姆亲自宣布点火成功。不仅如此,能源部在发布会现场还请来了民主党在美国参众两院的6位重量级议员,包括参议院军事委员会主席以及众议院负责情报、拨款、能源科研等事务的专业委员会主席。这些参众议员的参加让发布会更像一场民主党的政治表演秀,而不仅仅是一场关于科技进步的媒体发布会。


1. 精心策划的政治献礼


其实,核聚变一直是民主党和拜登政府的政治筹码。2021年,拜登政府刚上台就一改特朗普政府的核聚变政策,强调联邦政府的作用不仅要体现在核聚变的基础科研阶段,更要参与核聚变的产业化建设。拜登政府在2022年签署了“通货膨胀减少法案”,在国会预算案的基础上又追加了数百亿美元的经费和补贴来支持核聚变研发和产业化。


在这样的背景下,美国能源部就成为拜登政府核聚变战略政策的具体执行机构。问题是,投入如此巨大的核聚变政策是否能够令美国国会满意?美国能源部必须给出回应。


国会的态度如何呢?当然,民主党国会议员多数支持拜登政府的核聚变政策。但是,共和党议员并不会轻易接受。让局面更为复杂的是,2022年11月开始,美国中期选举如火如荼地进行。结果是,民主党失去了9个国会席位,而共和党一举成为国会多数派,从而掌握了审批拜登政府预算案的权力。因此,共和党主导的国会是否会批准拜登政府在2023财年加大核聚变科研和产业化资金投入的预算案,这也成为美国能源部必须应对的棘手问题。


点火“成功”恰好成为美国能源部呈交给国会的靓丽答卷。虽然点火“成功”的那次实验发生在12月5日,但能源部并没有立刻发布消息。这一方面是出于谨慎的考虑,科研人员需要时间来分析数据以确认实验结果的稳健性。另一方面,能源部需要找到恰当的发布时机,既要让发布会成为国会审核预算法案之前精彩的政治献礼,又要给民主党充足的时间去调和共和党的意见,勾兑政治利益。


为此,能源部等到12月11日才放出消息,并选在13日正式宣布点火“成功”。可见,点火“成功”不仅是科技进步事件,同时在美国能源部的精心策划下,更成为拜登政府说服国会增加核聚变预算的关键政绩。但问题仍然存在,共和党其实并不诚心支持民主党政府的核聚变政策。在核聚变问题上,两党的分歧无法轻易消弭。


2. 两党角力核聚变政策


虽然美国国会批准了巨额的核聚变预算,但民主党和共和党对核聚变政策仍然存在显著分歧。争议的焦点问题是,美国联邦政府和市场各自应当在核聚变发展中发挥怎样的作用。理论上讲,政府和市场应当合作,政府承担科研成本,企业利用来自政府科研项目的技术来促进核聚变技术的产业化、商业化并实现盈利。但是,民主党和共和党对联邦政府的参与程度却又有不同认识。


特朗普政府的核聚变政策反映了共和党的立场,也就是说,联邦政府应当聚焦核聚变的早期基础科研。原因在于,基础科研成本高、风险大并且无利可图,这让企业难以承担研发工作。另外,特朗普政府还认为技术产业化和商业化应当由企业完成,这样才能激励企业家精神、强化市场竞争、激发产业活力。


与特朗普政府正好相反,拜登上台以来强调联邦政府应积极参与在核聚变的科研、技术开发和市场化。并且,民主党还强调,政府要全过程参与,不仅要扶持研发项目和产业项目的启动阶段,还要管理项目的中期运行阶段,更要在后期的产业化和商业化阶段发挥保驾护航的作用。


但更严峻的问题是,美国政府迄今为止的巨额投入仍然远不足以推动核聚变的产业化和市场化,让美国的核聚变试验发电厂项目捉襟见肘。目前国会批准的预算也远未达到业界期待的这个目标。即便政府预算全部到位,实现核聚变产业化并启动美国能源部设想的试验发电厂还需要更多资金投入。


可见,拜登政府推动的政府资金驱动型核聚变科技产业发展政策始终难以得到共和党的支持。未来4年,共和党主导的国会是否还会继续追加对核聚变科技产业的预算投入仍然不可预料。矛盾重重的两党角力终究难以为美国核聚变科技产业提供稳定的政策基础。


3. 核聚变产业化隐藏信任危机


政治博弈不仅体现在美国核聚变政策的决策阶段,还体现在产业化阶段。目前,美国核聚变产业化的主要模式是“政府与社会资本合作”,即PPP模式。在PPP模式中,民营企业和政府成立合作项目,以此集中研发资源,减少重复浪费,共享研发成果。但是,在PPP模式中,政府和民企各自掌握的信息并不对称。企业可能会在研发和财务上作假以骗取政府的补贴和研发经费,这会产生严重的道德风险隐患,进而导致信任危机。


美国新能源产业并不是净土,企业欺诈、信息诱导、利益集团阻挠的事件层出不穷。因此,美国核聚变产业化过程也就难逃政府与企业的信任危机。深层原因在于在民主党中期选举失利后,拜登政府迫切需要在核聚变产业中制造明星企业作为政绩,维系执政威信。另外,无论拜登是否在2024年谋求连任,民主党都需要通过新能源产业来谋取竞选资金,并以此向那些关心气候问题、支持绿色经济的选民作出政治承诺以保住基本票仓。所以,核聚变产业将始终作为拜登政府和民主党的关键政治工具,发挥政治作用。但是,拜登和民主党却也始终解决不了政府与企业的信息不对称问题。那么,信任危机持续发酵就将让美国核聚变产业面临巨大的不确定性。


以上分析充分表明,点火“成功”对美国的政治意义远大于技术意义和商业意义。目前来看,美国的核聚变点火技术完全不足以支撑民用发电规模的商业化应用。另外,美国频繁进行激光点火实验也难逃核武器试验的嫌疑,应受到国际社会的高度警惕。并且,在核聚变领域,美国更不具备保持对华优势的绝对实力。


即便如此,美国政府仍然面向参众两院高调宣传点火“成功”,说明拜登政府的主要目的是将点火“成功”作为说服国会加大财政拨款的政绩。但是,共和党和民主党对核聚变政策仍存在重大分歧。共和党认为联邦政府应仅支持前期基础研究,但民主党则认为联邦政府在从科研到产业化的各阶段提供有力支持。两党分歧让美国对核聚变支持的政策重心始终摇摆不定。再加上,美国国会批准的财政资金还远远达不到业界对核聚变商业化设想的投资目标。更严重的是,在新能源产业化过程中,美国始终面临政府和企业的信息不对称问题,这会导致企业通过作假来骗取政府支持。综合来看,美国的核聚变产业化不仅面临一系列关键技术瓶颈,更面临潜在的重大信任危机,因此短期内很难成功。


中国核聚变产业化三大迫切问题

美国核聚变产业化面临的深层问题值得中国深思。1983年,国务院科技领导小组主持召开专家论证会,提出了中国核能发展“三步走(压水堆—快堆—聚变堆)”的战略,以及“坚持核燃料闭式循环”的方针。总体看,中国目前仍处于“三步走”战略的第一阶段,未来一段时期内核电建设仍将以压水堆为主。中国的快堆研究工作取得了很大进展,示范快堆工程有望2023年建成投产。客观地讲,虽然中国在核聚变领域不断取得技术突破,但中国的聚变堆也处于研究初期,离商用发电还有很长一段距离。


随着“三步走”长期战略的推进,中国目前在核聚变产业化面临三大迫切问题。第一,应警惕美国点火“成功”对全球资本和国内社会资本产生的煽动作用。当前,全球和中国都面临经济增长动力不足的困境,导致业界缺乏具有商业价值的投资主题概念和商业模式叙事。此时,核聚变点火“成功”对投资界无疑提供了某种兴奋点,可能会让社会资本产生以核聚变发电为主题的投资叙事主题。实际上,全球资本早已开始布局核聚变发电投资赛道,国内社会资本对核聚变发展的投资兴趣更是与日俱增。当然,社会资本的有序发展会有助于中国核聚变产业化。但是,如果中国不加强对核聚变产业投资的引导,那么社会资本无序扩张也会形成重大投资风险,最终拖累中国核聚变产业化发展。


第二,应看到技术进步不断降低民营企业进入核聚变领域门槛的客观趋势。首先,超级计算机近年来不断涌现重大技术进步,算力猛增的同时让大规模计算的使用成本大幅下降,这有助于推动核聚变反应堆小型化发展。另外,3D打印等快速成型技术使得民营企业有能力制造紧凑型的聚变反应堆,也加快了设计迭代的速度。再加上,美国和英国的政府与社会资本合作项目让企业更便利地获取政府核聚变科研项目的最新成果,极大减少了企业的研发风险,也加快了企业落地核聚变反应堆的进度。更要认识到,技术一方面具有渐进迭代的特征,但另一方面也存在突破式、跨越式、颠覆式进步的特征。这两种技术发展特征都会成为推动核聚变产业化的客观动力。


第三,应注意中国核聚变产业化过程中的三种不平衡隐患。首先,快堆和聚变堆在产业化和商业化上的进步速度不平衡。当前,更多社会资本更加关注核聚变商用发电的巨大商业潜力,使聚变堆比快堆获得了更高效的商业发展模式。同时,聚变堆小型化后可以适应不同于快堆的民用能源需求,这也让聚变堆商业化具有竞争力。这意味着,快堆和聚变堆可能不会是两个分离的阶段,而是一个同时并行发展的过程。如果没有一个综合协调的能源产业发展规划,聚变堆“扎堆过剩”的发展不但会导致投资浪费,更会挤出快堆的发展资源,从而影响中国能源结构的安全。


另外,国内创业公司和上市公司在核聚变产业链上的起点不平衡。目前,已有多家A股上市公司涉足核聚变业务。但是,这些公司并不以核聚变为主营业务,核聚变业务对公司利润增长的贡献非常小。并且,这些公司的核聚变业务尚未形成一个完整的国内产业链,而是聚焦国际热核聚变实验堆ITER、中国聚变反应堆CFETR等科研项目的部分环节,仍需要科研项目管理层面的协调,还要与发达国家的产业链进行合作。与之相比,国内的核聚变创业公司和风险投资项目更多关注产业链的全过程研发和发电厂工程项目的整体落地方案。在未来的国内核聚变产业中,可能会看到一种奇怪的场景:创业公司享受产业研发和管理的高附加值收益,而在位上市公司只能分得低附加值的制造和服务环节利润。价值链地位的差异又会造成创业公司迅速崛起成为新兴上市公司,而在位上市公司面临利润增长乏力的困境。虽然这是市场竞争的结果,但是这种产业链起点不平衡可能会严重冲击中国资本市场的格局和秩序,从而影响中国资本市场的稳定。


更值得注意的是,社会资本和国有资本对核聚变产业融资的叙事能力不平衡。目前,只有个别国有核电企业启动了核聚变(人造太阳)商用发电项目。例如,中国核工业集团有限公司下属研究院已开始组织研究,中国核电工程有限公司也开始进行工程技术研发和项目布局。


这类国有核电企业往往具有中国核武军工背景,长期从事保密等级极高的核工业科研和建设,使得这些国有核电资本天然地排斥资本市场流行的包装技巧和叙事逻辑。与之相比,进入核聚变领域的社会资本虽然在投资总量和技术水平上不及国有资本,但是在融资项目包装和叙事上却更贴近资本市场兴趣。这种融资叙事能力的不平衡会导致国有资本的市场融资效率可能落后于社会资本,从而影响核聚变产业中的公有制经济地位。


因此,美国的外源性冲击、技术的颠覆式进步、发展的不平衡隐患很可能会影响中国核聚变产业化的稳定发展。因此,中国迫切需要设计一个综合、协调、可持续的能源发展战略,积极稳妥地推进核聚变产业化。这样的战略应保证国内核聚变产业链具备应对外部冲击的稳健性,兼顾技术渐进式和颠覆式进步的包容性,协调能源结构、资本结构、所有制结构的平衡性。


谋篇布局能源强国发展战略

我们建议,中国应着手设计一个国家级的能源强国发展战略。2021年中央经济工作会议就已提出“要深入推动能源革命,加快建设能源强国”。为落实中央的精神,我们认为能源强国战略应纳入核聚变产业化议题。更重要的是,能源强国战略应特别关注国家能源总体安全,鼓励科研技术渐进式和颠覆式并重的包容式进步,推进能源-资本-所有制的平衡稳定发展。能源强国战略必将涉及诸多跨学科、跨行业、跨层级、跨部门的重大问题,就此详细分析显然已超出了本文的范畴。不过,为了提纲挈领地启动能源强国战略的设计工作,我们提出“三个立足”的简明思路。


第一,立足“3060”双碳目标,构建多能互补的能源发展格局。中国“富煤、缺油、少气”的能源资源禀赋和能源结构向绿色低碳转型的艰巨任务决定了需要由目前以煤炭为主过渡到化石能源与可再生能源多元发展的阶段,并探索可再生能源为主的战略。但是,可再生能源发展仍面临供给不稳定,装备产业链“卡脖子”,电力市场不成熟等问题的制约。突破这些问题仍需要化石能源提供稳定、可靠、成熟的能源基础保障。因此,多能互补的能源发展格局必然是中国基于客观情况的稳健选择。


第二,立足安全稳妥与协同创新,推进核电发展。应保障中国核电全产业链稳定可靠,特别是核原料储备、成套项目建设、技术迭代要自主可控。同时,积极布局建设三代热中子电站,支持能源基部负荷系统的核电技术开发,提升固有安全能力,稳步推进可控核聚变技术,特别重视快堆和聚变堆的协同创新与开发。


第三,立足社会主义市场经济体制,发挥国有资本的主体作用和社会资本的创新潜力。推动能源领域市场准入规则、交易机制、管理机制的优化和改革,提高市场的资源配置能力,充分激发能源市场活力。发挥国有资本在能源转型中的主体作用,也要加强对国有企业的能源科创投入与产品转化进行考核与激励。鼓励新能源产业和核聚变技术研发的市场化发展,也要加强对社会资本的监督管理。

注:本研究得到复旦大学人文社会学科传世之作学术精品研究项目“构建经济发展的国家理论”(XM04221238)、复旦大学发展研究院2023年度“国家发展动力”项目、上海市“超级博士后”激励计划的支持。


全文在发表时经过重新整理。作者感谢审稿专家和责任编辑的建议。当然,文责自负。本研究仅代表作者个人观点,不代表所属机构和澎湃的立场,不构成投资建议。