傑瑪·康羅伊：中國正在競逐核聚變研究的世界領導者

【文/傑瑪·康羅伊，翻譯/陳佳芮，校對/郭涵】

今年二月一個寒冷的清晨，位於合肥的中國科學院等離子體物理研究所（ASIPP）被白雪覆蓋的院子異常安靜。春節即將來臨，城裏的大多數人都忙着準備慶祝龍年。然而，研究所裏的科研人員依舊埋頭苦幹。在一間巨大的、天花板上點綴着星形紅色霓虹的控制室裏，等離子體物理學家龔先祖正在馴服一頭與眾不同的“火龍”。

這頭“火龍”是一個核聚變反應試驗裝置，即全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。這個託卡馬克裝置形似一個甜甜圈，能夠產生與驅動恆星能量相同的核反應。它們利用磁場將等離子體（一種含有離子和電子的流體狀物質）的加熱環路限制在比太陽核心温度更高的環境中，迫使原子產生核聚變並釋放能量。若能將熾熱、不穩定的等離子體維持在足夠穩定且可控的狀態、持續足夠長的時間，便幾乎可以產生無限量的清潔能源，這是一項尚待實現的壯舉。

中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所有“人造太陽”之稱的全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）視頻截圖

駕馭不穩定的等離子體是一份艱苦卓絕的工作。每天從清晨到午夜時分，龔先祖和同事們要加熱等離子體約100次。相比之下，位於英國庫勒姆（Culham）的歐洲聯合環狀反應堆（JET）在去年關閉前曾是世界上最大的核聚變研究設施，那裏每日僅能完成20到30次加熱。作為全超導核聚變實驗裝置物理實驗總負責人，龔先祖表示：“我們幾乎沒有週末，也沒有假期。”

儘管全超導託卡馬克核聚變實驗裝置只是通往引發廣泛期待的核聚變發電站的一塊跳板，但這樣的設施卻讓中國在全球核聚變研究的競賽中嶄露頭角。

全世界最知名的核聚變實驗裝置是耗資220億美元建造的國際熱核聚變實驗堆（ITER），這個位於法國南部的龐大託卡馬克裝置正在建設中，中國也參與了該項目。近年來，美國與其他地方的雄心勃勃的企業已籌集數十億美元建造自己的反應堆，他們聲稱將在政府主導項目之前展示出實用的核聚變能力。

與此同時，中國正迅速向核聚變研究領域投入大量資源。中國政府的“十四五”規劃將關鍵核聚變項目的綜合研究設施列為國家科技基礎設施發展的重大優先事項。

美國能源部旗下核聚變能源科學辦公室副主任讓·保羅·阿蘭（Jean Paul Allain）稱，粗略估計，中國現在每年在核聚變研究上的投入可能高達15億美元，幾乎是美國政府本財年對該研究撥款的兩倍。他還説：“比總價值更重要的是他們實現這一目標的速度有多麼快。”

麻省理工學院（MIT）的核科學家丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）表示：“在核聚變研究領域，中國已從25年前的無名之輩發展為擁有世界級水平的國家。”

儘管還無人能預見核聚變發電站是否具有可行性，但中國科學家已制定了雄心勃勃的時間表。到本世紀30年代，即國際熱核聚變實驗堆啓動主要實驗之前，中國計劃建成中國聚變工程實驗堆（CFETR），目標是產出一吉瓦的聚變能量。根據2022年制定的發展路線圖，若該計劃順利實施，人類有望在未來幾十年內迎來第一座核聚變發電站的誕生（J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022）。

英國帝國理工學院等離子體物理學家亞斯明·安德魯（Yasmin Andrew）表示：“中國正在戰略性地投資與發展核聚變能源計劃，以期在全球範圍內保持長期領先地位。”

建造人造太陽

自20世紀50年代以來，科學家們一直在嘗試讓核聚變反應堆能夠運作。其基本原理是將兩個帶正電荷、相互排斥的氫原子核合併成一個更大的氦原子核。在太陽內部，引力產生的巨大壓力足以實現這一過程；而在地球上則需要高温和強磁場的輔助。然而迄今為止，研究人員依然無法令核聚變反應維持足夠長的時間，以產生相比引發核聚變反應所需更多的能量。

2022年底，位於美國加州利弗莫爾的美國國家點火裝置（NIF）研究人員宣佈取得了突破性進展，他們在短時間內回收了相比投入的燃料更多的聚變能量。美國國家點火裝置使用託卡馬克裝置的替代設計，向氫同位素氘和氚的微小顆粒發射192束激光，引發了它們的聚變反應。然而，用於操作激光的能量遠超過向目標輸送的能量。

許多研究人員認為，實現核聚變能最可行的方法是利用託卡馬克裝置來約束一個持久的“燃燒等離子體”，其中，聚變反應產生的熱量足以維持其燃燒。國際熱核聚變實驗堆的目標之一，也是建設核聚變發電站的一般先決條件便是創造一種燃燒等離子體，其產生的能量是輸送給等離子體的十倍。

若科學家能夠實現這一目標，核聚變技術將提供一種比傳統裂變核電站更安全、更清潔的替代方案。裂變核電站分裂重鈾原子核所產生的放射性廢料，其危害性可能持續數千年。而聚變反應堆產生的廢料則壽命較短。其另一大安全特點在於，如果等離子體降至一定温度或密度以下，聚變反應就會自行停止。此外，預計核聚變過程將比核裂變更高效；國際原子能機構指出，每千克燃料產生的聚變能是裂變能的四倍。

中核集團中核工程牽頭的中法聯合體是目前國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目主機安裝的唯一承包商。“中核集團”微信公眾號

對中國而言，這是一個極其誘人的前景。在2020年至2022年期間，中國部分地區因寒冬時節電力需求的激增而出現大規模停電。儘管可再生能源領域發展迅速，但中國仍有一半以上的電力來自煤炭，且仍是全球碳排放的最大來源國。中國計劃在2030年前實現碳達峯，2060年前實現碳中和，但其能源需求將在未來三十年內翻一番。等離子體物理學家、中科院等離子體物理研究所所長宋雲濤表示：“我們需要推動創新、減少碳排放，這是我們的夢想。核聚變能源可以實現這一點。”

中國的願景

在全超導託卡馬克核聚變實驗裝置的控制室內，龔先祖正準備輕點鼠標、再次發射等離子體脈衝。等離子體被約束在控制室顯示器牆後面的真空室中，室頂懸掛着中國國旗。龔先祖説：“每一次發射都可能為聚變能源的未來提供支持。”

中國參與核聚變研究始於利用俄羅斯和德國設備部件建造的數箇中小型託卡馬克裝置。2003年，中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯及美國共同加入了國際熱核聚變實驗堆計劃。

2006年，中國建成全超導託卡馬克核聚變實驗裝置，該項目自建成起便多次刷新等離子體維持時間的世界紀錄，不僅僅是秒級，而是達到了分鐘級。國際熱核聚變實驗堆科學部門負責人阿爾貝託·洛阿爾特（Alberto Loarte）表示，全超導託卡馬克核聚變實驗裝置在生成持久等離子體方面的獨特能力，使其成為國際熱核聚變實驗堆的主力實驗室，尤其是在快速交叉檢驗實驗結果方面。他評價道：“中國的研究非常活躍。”

洛阿爾特舉例説，今年1月，他和同事們對全超導託卡馬克核聚變實驗裝置進行了為期一週的實驗，以驗證即便反應堆面向等離子體的內壁未塗覆隔絕雜質的硼層，通過鎢材料的內襯也能實現等離子體的緊密約束（這些發現也給國際熱核聚變實驗堆提供了幫助。2023年10月，研究人員決定用鎢代替鈹作為反應堆壁襯）。

洛阿爾特表示，在許多國家，開展這類實驗可能需要幾個月的籌備時間。然而在中國，許多研究小組無需正式提案或冗長討論環節，便能在短短數週內將計劃付諸實施。

國際熱核聚變實驗反應堆最初計劃於2020年啓動實驗，但一直飽受延期的困擾。今年7月，研究人員宣佈，將把主要實驗推遲至2039年。位於巴黎的法國替代能源與原子能委員會聚變科學家傑羅尼莫·加西亞·奧萊亞（Jeronimo Garcia Olaya）表示，大多數國際熱核聚變實驗堆國家都在同時發展本國核聚變能力，但很少有國家像中國這樣投入如此密集的努力。中國正在打造一個雄心勃勃的計劃，身兼日本那珂市JT-60SA實驗聯合負責人的奧萊亞説道，該裝置是目前全球最大的在運託卡馬克裝置。

除了全超導託卡馬克核聚變實驗裝置之外，中國還擁有於2020年在成都西南物理研究院啓用的“中國環流器三號”（HL-3）託卡馬克等其它聚變反應堆研究設施。這些設施的實驗成果將為下一代中國聚變工程試驗堆提供數據支持，儘管其建設尚需得到政府批准。一位不願透露姓名的中科院等離子體物理研究所（ASIPP）人士表示，他無法給出一個明確的審批時間表，但政府在決策時會考慮國際熱核聚變實驗反應堆的進度。中國聚變工程實驗堆的規模將略大於國際熱核聚變實驗堆，以填補後者這一純實驗設備與一座示範性核聚變發電站之間的差距。

“中國環流三號”是我國目前設計參數最高、規模最大的核聚變大科學裝置，也被稱為中國的新一代“人造太陽”。視頻截圖

中國聚變工程實驗堆的首要目標是產生100至200兆瓦的淨功率，即產生的電力超過用於加熱等離子體所需的能量，但尚不足以覆蓋設施運行所消耗的全部電力。到本世紀40年代，其目標是提供十倍於直接輸入等離子體的熱量，這是實現可行聚變反應的關鍵里程碑，同時還將產出高達一吉瓦瓦的淨電能。若實現這一目標，一座示範性發電站將有能力向電網輸電。

2022年發佈的中國聚變工程試驗堆工程設計報告意味着該設施將領先多個示範性核電站，包括歐盟和日本提出建設的DEMO反應堆。兩者預計分別在2029年和2025年啓動工程設計。

阿蘭認為，中國在核聚變研究方面的優勢並不在於突出的工程創新，而在於速度和對開發建造反應堆所需的材料、組件和診斷系統的關注。

為了開發中國聚變工程實驗堆，中科院等離子體物理研究所已開始在全超導託卡馬克核聚變實驗裝置不遠處建造一個佔地40公頃（約60個足球場大小）的大工廠。預計明年竣工的聚變技術綜合研究設施“夸父”（CRAFT）將成為一個龐大的研究中心，研究人員將在此研發並製造用於中國聚變工程實驗堆及後續聚變電站所需的材料、部件和原型設施。

在美國，一處開發關鍵聚變技術的類似設施多年來始終被列為優先事項，但由於資金有限及其他問題，計劃一直未能落地。懷特表示：“這一直令人沮喪。雖然出現了一些變革的跡象，但我們已經失去了領先地位。”

中國對建立核聚變研究人才隊伍的重視使其具備了人才優勢。位於阿賓頓的英國原子能管理局（UKAEA）等離子體物理學家孫紅娟（音）表示，“他們確實投入了大量精力培養下一代人才。”孫紅娟曾參與歐洲聯合環狀反應堆項目。阿蘭估計，在核聚變研究領域，中國有多達數千名博士生，而美國僅有數百人。

商業努力

雖然中國的計劃正在迅速推進，但世界各地的初創公司對聚變能源商業化運用的速度提出了更大膽的主張。

例如，從麻省理工學院中分拆出來的聯邦聚變系統（CFS）公司承諾，其名為SPARC的託卡馬克裝置將成為首個產生聚變能量超過等離子體所消耗熱量的裝置。這家總部位於馬薩諸塞州德文斯的公司正與麻省理工學院的研究人員合作，並表示SPARC將在2026年底前產生首批等離子體，這一進展依賴於高温超導材料方面的進步。相較於國際熱核聚變實驗堆和其他巨型設施，這些材料能夠讓他們更小巧且更快速地建造託卡馬克裝置。聯邦聚變系統公司表示，將在本世紀30年代初建成向電網供電的聚變電站。其他公司也在對各種聚變電站的原型設計發表類似的樂觀言論。

總部位於美國的聚變工業協會（FIA）表示，全球有40多家公司正致力於實現核聚變商業化運用，這些企業累計已獲得71億美元的投資。

與此同時，中國的核聚變產業也在蓬勃發展。據美國聚變工業協會首席執行官安德魯·霍蘭德 (Andrew Holland) 透露，僅在短短几年內，中國核聚變初創企業就吸引了超過5億美元的投資，這一數字僅次於美國，後者在核聚變公司上的投資已超過50億美元。“中國的私營企業在核聚變研究領域有重大投入。”

1月，由中國核工業集團牽頭，25家國企、4所高校與1傢俬營公司組成的可控核聚變創新聯合體正式宣佈成立，以彙集資源、加速中國的聚變能源研究進程。

中國最大的民營能源企業之一——新奧集團，是聚變研究領域的產業巨頭之一。根據聚變工業協會數據，新奧集團在其聚變能源項目上的投入已超2億美元，其發展路線圖是在2035年之前建造一個“商業示範”反應堆。

過去三年，中國湧現出一批致力於核聚變研發的公司。上海能量奇點科技有限公司便是其中之一，這家初創企業成立於2021年，是中國首家專注於核聚變發電的企業。與SPARC類似，能量奇點旨在利用最新的磁體材料優勢，建造體積更小、成本更低的託卡馬克裝置。據聯合創始人楊釗透露，該公司迄今已獲得約1.1億美元的資金支持。今年6月，其HH70託卡馬克裝置成功實現首次等離子放電，並採用了高温超導磁體。楊釗表示，這是全球首例。

高温超導託卡馬克裝置“洪荒70”。

能量奇點公司正在規劃中的下一代設備“洪荒70”（HH70），其目標是產生比維持等離子體所需熱量高出十倍的能量。楊釗與他的美國同行一樣樂觀，預計這座小型託卡馬克裝置僅需三到四年即可建成，而不必耗時數十年。

燃料的可獲得性是聚變研究的一大問題。對於託卡馬克裝置來説，氘氚（D-T）等離子體混合物被認為是最高效的燃料之一。然而，自然界中氚的含量非常稀少，因此需要在聚變設施中通過聚變反應期間產生的中子與託卡馬克裝置內壁鋰毯的反應來生產氚。這種“氚增殖”（Tritium breeding）是否切實可行，目前尚無定論。

國際熱核聚變實驗堆是探索這一問題的規模最大的研究項目之一。然而，中國有着更為迅速的計劃：燃燒等離子體實驗託卡馬克（BEST），就建在聚變技術綜合研究設施的旁邊，預計將於2027年完工。宋雲濤介紹説，該項目完工後將進行氘-氚等離子體（D-T）實驗，並探索能否實現氚增殖。

許多人認為，這些都是為解決世界能源問題提供關鍵方案的長期努力的一部分。與私營公司的樂觀態度相反，在全超導託卡馬克核聚變實驗裝置的實驗室，龔先祖認為聚變能源研究的競賽更像是一場馬拉松而非短跑。他還要進行數千次等離子體發射。“我們還有很多工作要做。”他説道。

（原文發佈在美國《自然》雜誌網站，原標題：中國引領全球核聚變研究競賽的故事。 Inside China’s race to lead the world in nuclear fusion.）

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