聚變能是一種具有巨大潛力的發電方式，它模仿了為太陽和恒星提供能量的自然過程。在聚變過程中，兩個輕原子核結合形成一個更重的原子核，同時釋放出巨大的能量。這與核裂變不同，后者是將重原子分裂。在核聚變中，最常用的燃料是氫的兩種同位素——氘和氚的混合物。為了實現聚變，原子核必須克服它們之間的電磁排斥力。在某些聚變能源方案中，需要達到超過1億攝氏度的極高溫度。因此，盡管聚變過程本身已經被充分理解，科學家們仍在努力解決與等離子體約束、材料選擇和其他技術細節相關的工程難題。

一、美國核聚變研究

自20世紀50年代以來，美國一直在積極推動核聚變能源的開發，這包括政府資助的研究項目以及近年來私營部門的參與。美國的主要核聚變研究設施和項目包括：

美國能源部(DOE)的科學辦公室(SC)通過其核聚變能源科學(FES)項目，一直是推動美國核聚變研究的關鍵力量。

普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)，自20世紀50年代起就開始進行核聚變研究。

DIII-D國家聚變設施，位于加利福尼亞州圣地亞哥，由通用原子公司為DOE運營，自20世紀80年代中期以來一直在進行開創性的核聚變研究。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置(NIF)，自2009年建成以來，專注于慣性約束聚變研究。

美國還參與了國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目，這是在法國建造的一個大型實驗性托卡馬克裝置，旨在驗證聚變能源的可行性。ITER項目是一個國際合作項目，包括中國在內的35個國家參與其中。

最近的聚變能里程碑包括2022年12月在NIF實現的聚變反應凈能量增益，盡管整個過程的能量消耗仍然超過了產出。此外，近年來私營部門在聚變能源開發方面的參與也在不斷增加。2023年5月，DOE向八家私營公司提供了4600萬美元的資金，用于聚變發電廠的設計和研究。

二、面臨中國核聚變計劃的挑戰

盡管美國一直是核聚變研究的領導者，但中國近年來也在這一領域投入了大量資金。在2024年9月19日舉行的參議院能源和自然資源委員會聽證會上，委員會主席、參議員喬·曼欽(Joe Manchin)展示了一張圖表，顯示了2010年至2023年間各國對核聚變公司的股權投資情況。根據圖表，美國在此期間的投資總額約為42.8億美元，遠超其他國家。然而，中國在2022年進行了大規模投資，并在2023年的投資額超過了包括美國在內的所有其他國家，這可能對美國在核聚變領域的領先地位構成挑戰。

參議員Joe Manchin提交的核聚變公司股權投資圖表。資料來源：參議院能源與自然資源委員會

“美國仍處于領先地位，但你可以看到中國正在大舉進入該領域，”曼欽說。“中國不僅試圖在科學上超越我們，他們還努力通過確保建造核聚變電站所需的關鍵材料市場來控制核聚變能源供應鏈，就像他們在太陽能和電動汽車電池領域所做的那樣。我們不能失去在核聚變能源技術方面的競爭優勢。”

曼欽指出，中國模仿了美國發展聚變能源的戰略計劃。他提到，中國正在迅速建立自己的研究項目和實驗室，這些實驗室將模仿美國能源部的國家實驗室。

資深參議員約翰·巴拉索(John Barrasso，懷俄明州共和黨)在開幕致辭中指出，核聚變能源的進步正值美國對電力的需求快速增長之際。“我之前從《紐約時報》上看到了一篇文章，文章稱，五年后，由于所有需要新能源的領域都會出現，而這些需求大部分將由支持人工智能的數據中心、比特幣挖礦、云計算和存儲中心推動。如果我們無法為這些設施提供價格合理且可靠的電力，美國可能會喪失在這些關鍵技術領域的領導地位。”他說。

巴拉索繼續說道：“中國明白這一點。他們明白，人工智能的競爭也是一場爭奪計算機能源的競爭。這也是中國在核聚變領域與我們展開激烈競爭的原因之一。”

巴拉索隨后展示了《華爾街日報》7月份發表的一篇文章，標題為“北京在核聚變競賽中領先美國”。他指出，聽證會上的FES的副主任讓·保羅·阿蘭博士的話被引用在了文章中。巴拉索認為，這篇文章暗示中國正在遵循美國核聚變能源商業化的路線圖。“他們(中國人)有能力模仿我們的做法，然后試圖以各種方式推進，超越我們。”巴拉索說。

三、美國引領核聚變發展的機會

阿蘭在周四的聽證會上強調，核聚變能源的潛力極其巨大，不容忽視。他指出，通過核聚變反應產生的能量，我們有望獲得一種既穩定又無碳排放的基礎電力，這對于應對氣候變化具有至關重要的作用。同時，核聚變能源的廣泛應用和變革性影響，使其成為我們必須優先考慮的國家安全問題。美國必須保持在這一領域的技術領先和競爭優勢，不能被其他國家超越。為了在未來十年內實現核聚變能源的商業化，我們需要采取果斷措施，解決當前面臨的科學和技術難題，并推動核聚變能源向規模化發展邁進。

阿蘭表示，FES實現其十年核聚變能源愿景的方法建立在三項關鍵行動之上。“首先，我們必須通過縮小關鍵的科學和技術差距來推動創新，投資核聚變能源科學以符合大膽的十年愿景，而FESAC(核聚變能源科學咨詢委員會)長期計劃的建議將幫助我們以必要的速度和規模加速發展，”他說。

其次，阿蘭表示，利用公私伙伴關系很重要。“擬議的公私聯盟框架使整個經濟領域的參與者能夠支持聚變科學和技術的發展，以實現商業聚變能源，”他說。“參與者可能包括學術界、政府實驗室、私募股權、貸款計劃、州和地區政府、慈善投資者以及大型行業和企業。”

FES清單上的最后一項行動涉及建立一個強大的聚變技術制造網絡。“這項投資將產生創新并擴大必要的聚變技術，包括內部組件、先進材料和氚管理系統，這些技術是使聚變在規模上具有經濟競爭力所必需的。”

參議院聽證會的另一位參與者、核創新聯盟研究主任帕特里克·懷特博士(Dr. Patrick White)建議，在美國致力于實現核聚變能源商業化的過程中，應優先考慮兩項事項。“首先，我們需要確保清潔能源政策包含技術，從而為核聚變能源作為一種堅定的清潔能源來源創造明顯的市場吸引力。其次，私營企業、學術研究人員、國家實驗室和聯邦政府必須密切協調和合作，在適當的聯邦資金和政策下實施和支持綜合核聚變能源計劃，該計劃有效、高效地優先考慮通過開發、示范和部署四個階段加速核聚變能源商業化的努力，”他說。

四、中國是一個高度參與的競爭對手

懷特在向委員會提交的書面呈詞中指出，中國已為其國內聚變產業制定了計劃，并正在付諸實施。在中國合肥，中國科學院等離子體物理研究所每年協調和指導數十億美元的商業聚變能研發工作。中國的科學家和工程師已經在運行實驗性先進超導托卡馬克(EAST)，它是世界領先的實驗性聚變機之一。他們已經在建造燃燒等離子體實驗性超導托卡馬克(BEST)，該裝置旨在作為科學和工程演示機器，在未來三到五年內在中國測試關鍵的聚變燃料循環和聚變能氚組件。中國聚變工程試驗反應堆(CFETR)目前正在設計中，它將成為他們在2030年代的第一個商業演示機器，因為他們預計在接下來的十年中實現大規模的商業部署。他們還在建設支持性技術研究設施，以幫助加速發展。綜合核聚變技術研究設施(CRAFT)將于2025年完工，并將推動和加速技術開發，以支持其科學、工程和商業演示。簡而言之，中國對核聚變能源商業化路徑的所有階段都有規劃，他們正在進行投資以加速開發和未來部署。

然而，參議員Angus King (I-Maine) 建議美國應該考慮與中國合作，而不是與其競爭。金認為：“一旦這項技術投入使用，大規模商業化，它就會改變世界。這是我們在這里討論的最重要的話題之一。”他說，今天任何人能為環境做的最好的事情就是讓中國擺脫煤炭。

“為什么必須與中國競爭?”King問道。“這不是軍事技術。這是民用技術，它將影響我們所有人。為什么這項技術不能成為我們兩國合作的契機，從而推動兩國關系的發展呢?通過合作，他們可以實現目標，我們也可以。我們攜手合作，甚至可能提前五年實現目標。”

然而，懷特認為兩國之間的競爭是有益的。他表示：“競爭越多越好，因為這為我們提供了更多機會，讓這項技術真正發揮作用。”他進一步解釋說：“我們可以這樣想，競爭如何激發創新，最終吸引更多聰明人投身于這一領域。正如你所說，這可能會改變世界。”

與此同時，總部位于華盛頓州埃弗雷特的私營公司 Helion Energy 的公共事務總監 Jackie Siebens 表示，中國已經在積極努力鎖定核聚變供應鏈。該公司正在努力建造世界上第一座核聚變發電廠。“在我們實際演示和部署第一臺機器之后，我們看到真正的競爭才剛剛開始，”Siebens 說。“當我們想到我們預測的所有需求，以及已經看到客戶不僅在美國，而且在世界各地大規模部署的需求時，我們認為這是一個國家安全問題，我們必須確保在美國以及我們的盟友能夠獲得一條使我們能夠主導這個市場的供應鏈。因為如果我們不這樣做，中國就會這樣做，以及隨之而來的所有地緣政治影響。”

“毫無疑問，我們正在展開一場競賽，”阿蘭說。“實現核聚變能源是人類面臨的最重大挑戰之一。因此，我們需要認識到，在我們整合大量專業知識并利用大量資源的同時，我們需要牢記，我們必須時刻保持警惕，并高度重視縮小我們一直在談論的科學技術差距。”

阿蘭繼續說道：“好消息是，經過數十年對公共項目(公共部門)的投資，這些投資實際上已經使私營部門能夠加大對聚變技術開發的投資。這是個好消息。”