2024年5月27日国内氘-氦3燃料路线初创公司东昇聚变宣布年内完成二次融资金额达数亿元人民币。随着商业资本持续涌入以氘-氚D-T为主流路线的聚变产业化进程在加速。然而在主流视线之外被称为先进聚变燃料——氘-氦3D-He³正随着部分明星商业公司的崛起而重新回到前沿讨论的中心。本系列将客观梳理其物理底层、研究版图与历史脉络剖析其从“月球热潮”向“工程实用主义”的范式跨越。作为首篇我们将率先勾勒全球研究版图。一、D-He³重新进入视野的先进聚变燃料氘-氦3D-He³聚变反应其主反应式为D3He→4He(3.6MeV)p(14.7MeV)与当前绝对主流的氘-氚D-T反应相比其最核心的物理特征在于主反应产物全部为带电粒子阿尔法粒子和高能质子。这里需要补充一点虽然D-He³主反应本身是100% 无中子的但在高温等离子体中不可避免的D-D反应仍会导致极少量中子的产生能量占比通常在1%~5%左右在最优化的等离子体参数下中子能量份额可降至约1%。这一物理特征赋予了D-He³路线重要的工程意义延长材料寿命极低的中子通量意味着对反应堆“第一壁”材料的辐射损伤大幅降低有望解决长期困扰D-T聚变堆的材料抗辐照寿命难题。更高的发电效率这也是D-He³路线的关键技术瓶颈和独特优势。反应释放的巨大能量特别是14.7 MeV的高能质子可通过“直接能量转换”机制进行高效回收理论上能实现超过60%甚至更高的发电效率摆脱了基于烧开水热力学卡诺循环的传统D-T路线。安全性与选址灵活由于无需处理极强的高能中子辐照反应堆的中子屏蔽层厚度可大幅缩减安全性与潜在部署场景如近城市电网、数据中心乃至深空探测的灵活性显著提升。因此尽管D-He³反应所需的等离子体温度约10亿度远高于D-T反应且点火条件更为苛刻但其在材料、能量转换效率与安全性方面的潜在优势使其长期被视为一种理想的“先进聚变燃料”。二、为什么D-He³在近年重新受到关注D-He³并非新概念但其在近年重新进入部分前沿研究与商业路线的讨论主要源于以下几股合力的推动1. 研究范式的拓展随着国际热核聚变实验堆ITER稳步推进聚变研究社区开始更多展望“ITER之后”的图景。在此背景下“先进燃料”作为可能解决D-T路线固有挑战如中子损伤、氚自持的选项其基础研究价值被重新评估。2. 工程挑战的倒逼D-T路线中的中子辐照材料问题日益凸显成为商业化道路上的关键瓶颈。这使得低中子或无中子的聚变方案获得了额外的关注度D-He³作为理论最成熟的低中子方案自然受益。3. 能量转换逻辑的演进直接能量转换技术与高能带电粒子束控制技术的进步让利用D-He³反应产物质子进行高效发电的路径不再纯属理论构想增加了其工程可行性。4.商业资本的探路以美国Helion Energy为代表的部分私营聚变公司将D-He³或其变体如D-D/D-He³混合作为核心燃料路线并投入工程实践。这些大胆的尝试尽管前景未明但客观上为D-He³路线注入了新的讨论热度与资源。图片来源Helion公开资料Note:关于Helion提出的“D-D/D-He³混合”燃料这是为了利用D-D副反应产物进行“装置内产生氦-3”从而摆脱对月球资源的依赖。 具体我们将在后续文章中展开。三、D-He³机构/公司研究版图与主流D-T路线相比D-He³路线的研究版图就显得比较精简。全球范围内将其作为核心燃料进行工程化开发的商业公司屈指可数而学术机构的相关研究也多集中于基础物理探索而非商业应用。下表梳理了该领域的主要参与者及其定位。机构/公司类型研究方向是否商业主路线备注Helion Energy公司场反位形 (FRC) D-He³是最明确、最激进的商业路线倡导者致力于建造基于D-He³燃料和直接电能回收的聚变电站。东昇聚变公司托卡马克D-He³是探索以“氘-氦3”为燃料的强磁场小型化聚变技术路线其首代实验装置“晨光”项目已启动建设。TAE Technologies公司先进燃料(Advanced Fuel)否技术平台FRC兼容多种燃料但其终极商业目标是氢-硼(p-B11)聚变D-He³并非其主攻方向。Princeton Plasma Physics Lab (PPPL)学术先进等离子体物理否历史上开展过普林斯顿场反位形(PFRC)等D-He³聚变研究主要用于空间推进等特定方向属前沿物理探索。欧洲/JET大科学装置He-3 作为诊断/添加物否在JET的D-T实验中He-3常被用作等离子体诊断工具或少量添加物以研究燃烧控制并非作为主要燃料。日本部分大学及研究机构如NIFS学术D-He³ 物理与装置否长期存在小规模的D-He³聚变物理与紧凑型装置研究属于学术前沿探索规模有限。图片来源根据公开资料, 《核聚变商业化》团队整理从上表可以清晰地看出D-He³路线在当前的聚变研究生态中处于边缘与先锋并存的位置。商业旗手HelionHelion是目前唯一将其技术逻辑FRC、直接发电、低中子与燃料特性D-He³深度绑定的商业实体构成了当前该领域较完整的商业叙事。技术平台的兼容性体现TAEFRC构型因其极高的β值天生适合压制高阶燃料的辐射损失。TAE能够运行D-He³更多是证明其FRC平台的优越性而非将其作为商业终点。学术探索的“太空格局”PPPL与日本无论是日本早年著名的“ARTEMIS”概念设计奠定了FRCD-He³质子直接发电的理论鼻祖还是普林斯顿的深空推进构想学术界更多是将D-He³用于挑战极端参数极限或不受地球环境限制的太空场景。大科学装置的“辅助”角色JET这是外界最容易误解的一点。“JET明明在90年代初就打破了D-He³的聚变功率纪录约140 kW怎么能说不是主燃料”事实上查阅当时的权威文献Jacquinot et al., 1992可知JET进行D-He³实验的核心目的是因为当年未获批引入放射性氚因此利用D-He³作为“无氚的安全替代物”其产生的14.7 MeV质子非常适合用来模拟未来D-T反应堆如ITER中的高能阿尔法粒子加热行为。在当代的JET D-T实验中加入1%左右的He-3更是纯粹的“少数离子加热”手段。综上所述除了Helion和东昇聚变外全球其他机构对D-He³的关注更多是出于科学探索、验证技术路径的兼容性或是服务于主流D-T研究的辅助目的。这恰恰印证了其在当前阶段仍属前沿选择。在下一篇中我们将回溯D-He³研究的三个历史阶段探讨底层物理如何支撑起今天的商业复兴。对核聚变感兴趣的小伙伴欢迎关注 《核聚变商业化》。