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位于中國合肥中國科學院等離子體物理研究所（ASIPP）的全超導非圓截面托卡馬克核聚變裝置（EAST）。

圖片來源：中國科學院等離子體物理研究所

導讀

中國計劃建造聚變發(fā)電廠，以提供清潔、無限的能源。這能否實現(xiàn)？

撰文｜Gemma Conroy

來源｜Nature Portfolio

中國合肥

在合肥的一個寒冷的二月早晨，中國科學院等離子體物理研究所（ASIPP）覆雪的場地安靜異常。新年即將來臨，城市中的大多數(shù)人都在準備慶祝龍年。而在研究所里，研究人員仍在緊張工作。在巨大的控制室內(nèi)，天花板上鑲嵌著紅色霓虹燈星星，等離子體物理學家龔先祖正在馴服另一種自然偉力。

龔先祖的“龍”是一臺聚變研究反應堆：全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST，中文名為“東方超環(huán)”）。托卡馬克裝置是一種環(huán)狀裝置，產(chǎn)生的正是驅(qū)動恒星相同的核反應。它們利用磁場來約束加熱的等離子體環(huán)——一種包含離子和電子的流體狀物質(zhì)狀態(tài)，其溫度比太陽核心還要高。其目的是使原子核發(fā)生聚變，釋放能量。如果能夠保持和控制這些熾熱而不穩(wěn)定的等離子體足夠長的時間，這種能量就可以被用作幾乎無限的清潔能源——這是一個尚未實現(xiàn)的壯舉。

控制不穩(wěn)定的等離子體是艱苦的工作。每天，龔先祖和他的同事們從早晨到午夜要進行約100次等離子體的點火實驗。相比之下，英國卡勒姆的聯(lián)合歐洲托卡馬克裝置（JET）在去年關閉前曾是世界上最大的聚變研究設施，每天僅能進行20到30次點火。“我們幾乎沒有周末，也沒有假期。”龔先祖說，他負責EAST的理論和實驗操作。

盡管EAST只是邁向預期聚變發(fā)電廠的一小步，但它是中國走進全球核聚變競賽圈的重要設施之一。

世上最知名的聚變實驗是耗資220億美元的國際熱核聚變實驗堆（ITER），這是一臺正在法國南部建造的巨大托卡馬克裝置，中國也參與其中。近年來，美國及其他地區(qū)的一些雄心勃勃的公司籌集了數(shù)十億美元，計劃建造他們自己的反應堆，聲稱將比國家主導的計劃更早展示實用的聚變電力。

與此同時，中國正迅速向聚變領域投入資源。中國政府的現(xiàn)行五年計劃將關鍵聚變項目的綜合研究設施列為國家科技基礎設施的重點。據(jù)估計，中國現(xiàn)在每年在聚變研究上可能花費15億美元，幾乎是今年美國政府為此研究撥款的兩倍，美國能源部聚變能源科學辦公室副主任Jean Paul Allain說，“而比投入的總額更重要的是他們執(zhí)行的速度。”

“過去25年，中國從局外人成長為擁有世界級能力的國家。”麻省理工學院（MIT）的核科學家Dennis Whyte說。

雖然目前還沒有人知道聚變發(fā)電廠是否真的可行，但中國科學家的時間表展現(xiàn)出了巨大的雄心壯志。預計在2030年代，在ITER開始其主要實驗之前，中國計劃建造中國聚變工程試驗堆（CFETR），目標是產(chǎn)生高達1吉瓦的聚變能量。如果中國的計劃順利進行，根據(jù)2022年的一個路線圖，一個試行聚變發(fā)電廠可能會在接下來的幾十年中出現(xiàn)（J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022）。

“中國正采取一種戰(zhàn)略性方法投資和發(fā)展其聚變能源項目，著眼于在全球范圍保持長期領先。”倫敦帝國理工學院的等離子體物理學家Yasmin Andrew說。

一、打造人造太陽

自1950年代以來，科學家們一直試圖使聚變反應堆正常工作。其基本思路是將兩個氫原子核——它們帶正電荷，因此會相互排斥——融合成一個較大的氦原子核。在太陽中，引力可以產(chǎn)生足夠的壓力來實現(xiàn)這一點；在地球上，則需要高溫和強磁場。然而，到目前為止，研究人員還未能使聚變反應持續(xù)足夠長的時間，使之產(chǎn)生的能量超過引發(fā)它所用掉的能量。

2022年底，美國加利福尼亞州利弗莫爾的國家點火裝置（NIF）的研究人員宣布了一項突破性進展，他們在短時間內(nèi)回收了超過投入目標的聚變能量。NIF采用了一種與托卡馬克裝置不同的設計，使用192束激光束瞄準一個微小的氘和氚同位素燃料球，從而引發(fā)聚變。然而，操作激光器所需的能量遠遠超過了輸入給目標的能量。許多研究人員認為，最實際的聚變能源方法將是使用托卡馬克裝置來約束一個持久的“燃燒等離子體”，其中聚變反應提供維持它所需的熱量。ITER的一個目標——被認為是可行聚變發(fā)電廠的普遍前提——是創(chuàng)造一個可以產(chǎn)生十倍于投入能量的燃燒等離子體。

如果科學家們能夠做到這一點，核聚變將為傳統(tǒng)的核裂變發(fā)發(fā)電廠提供一種更安全、更清潔的替代方案。裂變是分裂重的鈾核，產(chǎn)生的放射性廢料可能會在幾千年里都有危險性。而聚變反應堆產(chǎn)生的廢料壽命比較短。另一個安全特性是，如果等離子體的溫度或密度下降到一定程度，聚變反應將自動停止。而且這一過程預計比裂變更有效率；國際原子能機構(gòu)稱，聚變反應每公斤燃料所產(chǎn)生的能量可能是裂變的四倍。

對于中國來說，這是一個特別誘人的前景，在2020年至2022年間，一些地區(qū)由于寒冷冬季導致電力需求激增而經(jīng)歷了大規(guī)模的停電。盡管可再生能源發(fā)展迅速，中國仍然有一半以上的電力來自煤炭，并且仍然是全球碳排放的最大來源國。盡管中國計劃在2030年達到碳排放峰值，并在2060年實現(xiàn)碳中和，其未來三十年的能源需求預計將翻一番。“我們需要能夠減少碳排放的創(chuàng)新——這是我們的夢想。核聚變能源可以做到這一點。”ASIPP所長宋云濤說。

二、中國的愿景

在EAST的控制室內(nèi)，龔先祖準備點擊鼠標，發(fā)射另一波等離子體。等離子體本身位于控制室監(jiān)控墻后的真空室中，頂上懸掛著中國國旗。“每次點火都有可能對聚變能源的未來有所助益。”龔先祖說。

中國的聚變研究始于使用來自俄羅斯和德國設備的部件建造幾臺小型和中型托卡馬克裝置。2003年，中國加入了國際ITER實驗，與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國攜手合作。

2006年，中國開放了EAST裝置，該裝置已創(chuàng)下持續(xù)數(shù)分鐘而非數(shù)秒的等離子體世界紀錄。EAST在創(chuàng)造長壽命等離子體方面的優(yōu)勢使其成為ITER的重要實驗平臺，特別是用于快速交叉驗證結(jié)果，ITER科學部門負責人Alberto Loarte說。“中國的研究非常活躍。”他說。

Loarte提到，今年一月，他和同事在EAST進行了一周的實驗，以驗證用鎢襯里反應堆的等離子體壁能否實現(xiàn)緊密約束的等離子體，即使這些壁沒有涂上一層硼以防止雜質(zhì)進入。（這些發(fā)現(xiàn)將幫助ITER，后者在2023年10月決定將壁襯材料改為鎢而非鈹。）在許多國家，這樣的工作可能需要幾個月的時間來組織，Loarte說。但在中國，計劃通常在幾周內(nèi)就能敲定，因為許多研究組不需要正式的提案或長時間的討論就可以開始工作。

ITER原計劃在2020年啟動實驗，但由于種種原因推遲了。在7月，研究人員宣布將其主要實驗推遲到2039年。大多數(shù)ITER成員國正在并行發(fā)展其國內(nèi)的聚變能力，但很少有國家像中國那樣集中投入，法國原子能和替代能源委員會的聚變科學家Jeronimo Garcia Olaya說。“他們正在打造一個非常雄心勃勃的計劃。”O(jiān)laya說，他是日本中型托卡馬克裝置JT-60SA的實驗共同負責人，這是目前是世界上最大的運行中的托卡馬克裝置。

除了EAST之外，中國的其他聚變研究反應堆還包括2020年在成都西南物理研究所啟用的HL-3托卡馬克裝置。在中國設施上進行的實驗將為下一代CFETR提供數(shù)據(jù)，盡管其建設尚需政府批準。ASIPP的一名不愿透露姓名的人士表示，無法給出明確時間表，但政府正在將ITER的時間表納入決策考量。CFETR將略大于ITER，旨在彌補ITER（一個純粹的實驗設備）與能夠發(fā)電的示范發(fā)電廠之間的差距。

EAST真空室內(nèi)的一位研究人員。圖片來源：中國科學院等離子體物理研究所

CFETR首先旨在產(chǎn)生100至200兆瓦的凈功率：產(chǎn)生的功率超過用于加熱等離子體的功率，但不足以覆蓋裝置的運行電力。到2040年代，它的目標是產(chǎn)生比直接投入等離子體的能量多十倍以上的熱量，這是可控核聚變的里程碑，同時還要產(chǎn)生高達1吉瓦的凈功率。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，示范發(fā)電廠將開始給電網(wǎng)供給電力。

CFETR的工程設計報告于2022年發(fā)布，使該設施領先于幾個示范發(fā)電廠，包括歐盟和日本提出的DEMO反應堆——預計分別在2029年和2025年開始其工程設計。

中國在聚變研究方面的優(yōu)勢不在于突出的工程創(chuàng)新，Allain說，而在于其在開發(fā)建造反應堆所需的材料、組件和診斷系統(tǒng)方面的速度和專注力。

為了開發(fā)CFETR，ASIPP已經(jīng)開始建設一個距EAST不遠的占地40公頃的龐大車間（約60個足球場大小）。這個聚變堆主機關鍵系統(tǒng)綜合研究設施（CRAFT）是一個巨大的中心，研究人員將在那里開發(fā)和制造CFETR及后續(xù)聚變發(fā)電廠的材料、組件和原型。

在美國，一個類似的用于開發(fā)關鍵聚變技術的設施已經(jīng)多年被列為優(yōu)先事項，但由于資金有限等問題，計劃未能實現(xiàn)，Whyte說。“這令人沮喪。”他說。“有些積極改變的跡象，但我們失去了領先地位。”

中國對培養(yǎng)聚變?nèi)瞬诺闹匾曇彩蛊湓谌藛T方面占據(jù)了優(yōu)勢，英國原子能管理局的等離子體物理學家Hongjuan Sun說。“他們確實在培養(yǎng)下一代方面投入了大量精力。”她說，她曾在JET工作。Allain估計中國有幾千位聚變領域的博士生，而美國只有數(shù)百人。

三、商業(yè)努力

中國的計劃在快速推進，而世界各地的初創(chuàng)公司則對實現(xiàn)商業(yè)化聚變能源的速度提出了更大膽的主張。

例如，麻省理工學院（MIT）孵化的初創(chuàng)公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）承諾其SPARC托卡馬克裝置將第一個產(chǎn)生超過等離子體消耗的聚變能量。該公司總部位于馬薩諸塞州的德文斯，正與MIT研究人員合作，稱SPARC將在2026年底實現(xiàn)第一次等離子體點火。該項目依賴于高溫超導材料的進步，這應使其托卡馬克裝置比ITER和其他巨型設施小得多且建造更快。CFS表示將在2030年代初期擁有可給電網(wǎng)供電的聚變發(fā)電廠。其他公司也對各自的聚變發(fā)電廠設計提出了類似的樂觀聲明。

美國的聚變產(chǎn)業(yè)協(xié)會（FIA）表示，全球范圍內(nèi)，已有40多家公司致力于商業(yè)化聚變反應堆，并已獲得71億美元的投資。

中國的核聚變產(chǎn)業(yè)也在迅速發(fā)展。中國的聚變初創(chuàng)公司在短短幾年內(nèi)就吸引了超過5億美元的投資，F(xiàn)IA首席執(zhí)行官Andrew Holland說。這使中國僅居美國次席，后者已經(jīng)向聚變公司投入了超過50億美元。“中國的私營機構(gòu)也在積極投身聚變。”他說。

今年一月，中國政府成立了一個名為中國聚變能源的國家協(xié)會，由中國核工業(yè)集團公司領導。它匯集了25家國有企業(yè)、四所大學和一家私人公司，目的是整合資源，加速中國的聚變進程。

聚變研究的工業(yè)巨頭之一是中國最大的私營能源集團之一——ENN集團。據(jù)FIA，該公司已向其聚變能源項目投資超2億美元。ENN設想于2035年完成一個“商業(yè)示范”反應堆的建造。

在過去三年中，中國還涌現(xiàn)了一批專注于聚變反應的公司。其中之一是于2021年成立的上海初創(chuàng)公司能量奇點（Energy Singularity），這也是中國首家專注于聚變電力的公司。與SPARC類似，Energy Singularity旨在利用最新的磁體材料建造更小、更便宜的托卡馬克裝置；公司聯(lián)合創(chuàng)始人楊釗表示，公司迄今已吸引了約1.1億美元的資金。今年六月，該公司研發(fā)的HH70托卡馬克裝置實現(xiàn)了其首次等離子體點火，并使用了高溫超導磁體——楊釗表示這是全球首次。

能量奇點計劃開發(fā)下一代裝置HH170，目標是產(chǎn)生比產(chǎn)生等離子體消耗的能量多十倍的能量。和美國公司一樣樂觀，楊釗估計這一小型托卡馬克裝置只需三到四年即可建成，而非數(shù)十年。

聚變反應的一個大問題是燃料的可獲得性。對于托卡馬克裝置而言，氘和氚（D-T）同位素的混合物被認為是最有效的燃料之一。但氚在自然界中極為罕見，因此需要通過聚變反應產(chǎn)生的中子與聚變裝置反應堆壁中的鋰反應來生產(chǎn)氚。是否能夠?qū)崿F(xiàn)這種“氚增殖”仍不確定。

ITER是探索這一問題的最大研究之一。但中國有更快的計劃：緊湊型聚變能實驗裝置（BEST），在CRAFT旁邊建造，預計將于2027年完工，也將進行D-T實驗，并探索是否可以實現(xiàn)氚增殖，ASIPP所長宋云濤說。

這一切都是為了長期推動核聚變的進展，許多人將之視為解決世界能源問題的關鍵。回到EAST，與私營公司的樂觀不同，龔先祖將聚變能源的競賽視為馬拉松而非短跑。他還有幾千次等離子體實驗等在前方。“我們還有很多工作要做。”他說。

原文以Inside China’s race to lead the world in nuclear fusion標題發(fā)表在2024年8月28日《自然》的新聞特寫版塊上