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

圖片來源：中國科學(xué)院等離子體物理研究所

導(dǎo)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(xué)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(zhǔn)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(xué)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(yīng)堆：全超導(dǎo)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(yīng)。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(guān)閉前曾是世界上最大的聚變研究設(shè)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(zé)EAST的理論和實驗操作。

盡管EAST只是邁向預(yù)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(shè)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(yīng)堆，聲稱將比國家主導(dǎo)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(lǐng)域投入資源。中國政府的現(xiàn)行五年計劃將關(guān)鍵聚變項目的綜合研究設(shè)施列為國家科技基礎(chǔ)設(shè)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(xué)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(xué)院（MIT）的核科學(xué)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(xué)家的時間表展現(xiàn)出了巨大的雄心壯志。預(yù)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(biāo)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(lǐng)先。”倫敦帝國理工學(xué)院的等離子體物理學(xué)家Yasmin Andrew說。

一、打造人造太陽

自1950年代以來，科學(xué)家們一直試圖使聚變反應(yīng)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(yīng)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(biāo)的聚變能量。NIF采用了一種與托卡馬克裝置不同的設(shè)計，使用192束激光束瞄準(zhǔn)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(biāo)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(yīng)提供維持它所需的熱量。ITER的一個目標(biāo)——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(xué)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(yīng)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(yīng)將自動停止。而且這一過程預(yù)計比裂變更有效率；國際原子能機構(gòu)稱，聚變反應(yīng)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(dǎo)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(yù)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(zhǔn)備點擊鼠標(biāo)，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(shè)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(xué)部門負責(zé)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(yīng)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(xué)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(zé)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(yīng)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(shè)施上進行的實驗將為下一代CFETR提供數(shù)據(jù)，盡管其建設(shè)尚需政府批準(zhǔn)。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(shè)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(xué)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(biāo)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(shè)計報告于2022年發(fā)布，使該設(shè)施領(lǐng)先于幾個示范發(fā)電廠，包括歐盟和日本提出的DEMO反應(yīng)堆——預(yù)計分別在2029年和2025年開始其工程設(shè)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(yīng)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(shè)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(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)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(guān)鍵聚變技術(shù)的設(shè)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(lǐng)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(xué)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(lǐng)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(xué)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(dǎo)材料的進步，這應(yīng)使其托卡馬克裝置比ITER和其他巨型設(shè)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(shè)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(yīng)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(lǐng)導(dǎo)。它匯集了25家國有企業(yè)、四所大學(xué)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(shè)想于2035年完成一個“商業(yè)示范”反應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(biāo)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(yīng)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(yīng)產(chǎn)生的中子與聚變裝置反應(yīng)堆壁中的鋰反應(yīng)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(yù)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(guān)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(biāo)題發(fā)表在2024年8月28日《自然》的新聞特寫版塊上