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中国正在竞逐核聚变研究的世界领导者

底线思维 · 公众号 · 政治 · 2024-09-03 11:44

正文

文/杰玛·康罗伊，自由记者，现居悉尼，关注科技领域话题

翻译/陈佳芮，校对/郭涵

今年二月一个寒冷的清晨，位于合肥的中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）被白雪覆盖的院子异常安静。春节即将来临，城里的大多数人都忙着准备庆祝龙年。然而，研究所里的科研人员依旧埋头苦干。在一间巨大的、天花板上点缀着星形红色霓虹的控制室里，等离子体物理学家龚先祖正在驯服一头与众不同的“火龙”。

这头“火龙”是一个核聚变反应试验装置，即全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。这个托卡马克装置形似一个甜甜圈，能够产生与驱动恒星能量相同的核反应。它们利用磁场将等离子体（一种含有离子和电子的流体状物质）的加热环路限制在比太阳核心温度更高的环境中，迫使原子产生核聚变并释放能量。若能将炽热、不稳定的等离子体维持在足够稳定且可控的状态、持续足够长的时间，便几乎可以产生无限量的清洁能源，这是一项尚待实现的壮举。

中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）视频截图

驾驭不稳定的等离子体是一份艰苦卓绝的工作。每天从清晨到午夜时分，龚先祖和同事们要加热等离子体约100次。相比之下，位于英国库勒姆（Culham）的欧洲联合环状反应堆（JET）在去年关闭前曾是世界上最大的核聚变研究设施，那里每日仅能完成20到30次加热。作为全超导核聚变实验装置物理实验总负责人，龚先祖表示：“我们几乎没有周末，也没有假期。”

尽管全超导托卡马克核聚变实验装置只是通往引发广泛期待的核聚变发电站的一块跳板，但这样的设施却让中国在全球核聚变研究的竞赛中崭露头角。

全世界最知名的核聚变实验装置是耗资220亿美元建造的国际热核聚变实验堆（ITER），这个位于法国南部的庞大托卡马克装置正在建设中，中国也参与了该项目。近年来，美国与其他地方的雄心勃勃的企业已筹集数十亿美元建造自己的反应堆，他们声称将在政府主导项目之前展示出实用的核聚变能力。

与此同时，中国正迅速向核聚变研究领域投入大量资源。中国政府的“十四五”规划将关键核聚变项目的综合研究设施列为国家科技基础设施发展的重大优先事项。

美国能源部旗下核聚变能源科学办公室副主任让·保罗·阿兰（Jean Paul Allain）称，粗略估计，中国现在每年在核聚变研究上的投入可能高达15亿美元，几乎是美国政府本财年对该研究拨款的两倍。他还说：“比总价值更重要的是他们实现这一目标的速度有多么快。”

麻省理工学院（MIT）的核科学家丹尼斯·怀特（Dennis Whyte）表示：“在核聚变研究领域，中国已从25年前的无名之辈发展为拥有世界级水平的国家。”

尽管还无人能预见核聚变发电站是否具有可行性，但中国科学家已制定了雄心勃勃的时间表。到本世纪30年代，即国际热核聚变实验堆启动主要实验之前，中国计划建成中国聚变工程实验堆（CFETR），目标是产出一吉瓦的聚变能量。根据2022年制定的发展路线图，若该计划顺利实施，人类有望在未来几十年内迎来第一座核聚变发电站的诞生（J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022）。

英国帝国理工学院等离子体物理学家亚斯明·安德鲁（Yasmin Andrew）表示：“中国正在战略性地投资与发展核聚变能源计划，以期在全球范围内保持长期领先地位。”

建造人造太阳

自20世纪50年代以来，科学家们一直在尝试让核聚变反应堆能够运作。其基本原理是将两个带正电荷、相互排斥的氢原子核合并成一个更大的氦原子核。在太阳内部，引力产生的巨大压力足以实现这一过程；而在地球上则需要高温和强磁场的辅助。然而迄今为止，研究人员依然无法令核聚变反应维持足够长的时间，以产生相比引发核聚变反应所需更多的能量。

2022年底，位于美国加州利弗莫尔的美国国家点火装置（NIF）研究人员宣布取得了突破性进展，他们在短时间内回收了相比投入的燃料更多的聚变能量。美国国家点火装置使用托卡马克装置的替代设计，向氢同位素氘和氚的微小颗粒发射192束激光，引发了它们的聚变反应。然而，用于操作激光的能量远超过向目标输送的能量。

许多研究人员认为，实现核聚变能最可行的方法是利用托卡马克装置来约束一个持久的“燃烧等离子体”，其中，聚变反应产生的热量足以维持其燃烧。国际热核聚变实验堆的目标之一，也是建设核聚变发电站的一般先决条件便是创造一种燃烧等离子体，其产生的能量是输送给等离子体的十倍。

若科学家能够实现这一目标，核聚变技术将提供一种比传统裂变核电站更安全、更清洁的替代方案。裂变核电站分裂重铀原子核所产生的放射性废料，其危害性可能持续数千年。而聚变反应堆产生的废料则寿命较短。其另一大安全特点在于，如果等离子体降至一定温度或密度以下，聚变反应就会自行停止。此外，预计核聚变过程将比核裂变更高效；国际原子能机构指出，每千克燃料产生的聚变能是裂变能的四倍。

中核集团中核工程牵头的中法联合体是目前国际热核聚变实验堆（ITER）项目主机安装的唯一承包商。“中核集团”微信公众号

对中国而言，这是一个极其诱人的前景。在2020年至2022年期间，中国部分地区因寒冬时节电力需求的激增而出现大规模停电。尽管可再生能源领域发展迅速，但中国仍有一半以上的电力来自煤炭，且仍是全球碳排放的最大来源国。中国计划在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，但其能源需求将在未来三十年内翻一番。等离子体物理学家、中科院等离子体物理研究所所长宋云涛表示：“我们需要推动创新、减少碳排放，这是我们的梦想。核聚变能源可以实现这一点。”

中国的愿景

在全超导托卡马克核聚变实验装置的控制室内，龚先祖正准备轻点鼠标、再次发射等离子体脉冲。等离子体被约束在控制室显示器墙后面的真空室中，室顶悬挂着中国国旗。龚先祖说：“每一次发射都可能为聚变能源的未来提供支持。”

中国参与核聚变研究始于利用俄罗斯和德国设备部件建造的数个中小型托卡马克装置。2003年，中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯及美国共同加入了国际热核聚变实验堆计划。

2006年，中国建成全超导托卡马克核聚变实验装置，该项目自建成起便多次刷新等离子体维持时间的世界纪录，不仅仅是秒级，而是达到了分钟级。国际热核聚变实验堆科学部门负责人阿尔贝托·洛阿尔特（Alberto Loarte）表示，全超导托卡马克核聚变实验装置在生成持久等离子体方面的独特能力，使其成为国际热核聚变实验堆的主力实验室，尤其是在快速交叉检验实验结果方面。他评价道：“中国的研究非常活跃。”

洛阿尔特举例说，今年1月，他和同事们对全超导托卡马克核聚变实验装置进行了为期一周的实验，以验证即便反应堆面向等离子体的内壁未涂覆隔绝杂质的硼层，通过钨材料的内衬也能实现等离子体的紧密约束（这些发现也给国际热核聚变实验堆提供了帮助。2023年10月，研究人员决定用钨代替铍作为反应堆壁衬）。

洛阿尔特表示，在许多国家，开展这类实验可能需要几个月的筹备时间。然而在中国，许多研究小组无需正式提案或冗长讨论环节，便能在短短数周内将计划付诸实施。

国际热核聚变实验反应堆最初计划于2020年启动实验，但一直饱受延期的困扰。今年7月，研究人员宣布，将把主要实验推迟至2039年。位于巴黎的法国替代能源与原子能委员会聚变科学家杰罗尼莫·加西亚·奥莱亚（Jeronimo Garcia Olaya）表示，大多数国际热核聚变实验堆国家都在同时发展本国核聚变能力，但很少有国家像中国这样投入如此密集的努力。中国正在打造一个雄心勃勃的计划，身兼日本那珂市JT-60SA实验联合负责人的奥莱亚说道，该装置是目前全球最大的在运托卡马克装置。

除了全超导托卡马克核聚变实验装置之外，中国还拥有于2020年在成都西南物理研究院启用的“中国环流器三号”（HL-3）托卡马克等其它聚变反应堆研究设施。这些设施的实验成果将为下一代中国聚变工程试验堆提供数据支持，尽管其建设尚需得到政府批准。一位不愿透露姓名的中科院等离子体物理研究所（ASIPP）人士表示，他无法给出一个明确的审批时间表，但政府在决策时会考虑国际热核聚变实验反应堆的进度。中国聚变工程实验堆的规模将略大于国际热核聚变实验堆，以填补后者这一纯实验设备与一座示范性核聚变发电站之间的差距。

“中国环流三号”是我国目前设计参数最高、规模最大的核聚变大科学装置，也被称为中国的新一代“人造太阳”。视频截图

中国聚变工程实验堆的首要目标是产生100至200兆瓦的净功率，即产生的电力超过用于加热等离子体所需的能量，但尚不足以覆盖设施运行所消耗的全部电力。到本世纪40年代，其目标是提供十倍于直接输入等离子体的热量，这是实现可行聚变反应的关键里程碑，同时还将产出高达一吉瓦瓦的净电能。若实现这一目标，一座示范性发电站将有能力向电网输电。

2022年发布的中国聚变工程试验堆工程设计报告意味着该设施将领先多个示范性核电站，包括欧盟和日本提出建设的DEMO反应堆。两者预计分别在2029年和2025年启动工程设计。

阿兰认为，中国在核聚变研究方面的优势并不在于突出的工程创新，而在于速度和对开发建造反应堆所需的材料、组件和诊断系统的关注。

为了开发中国聚变工程实验堆，中科院等离子体物理研究所已开始在全超导托卡马克核聚变实验装置不远处建造一个占地40公顷（约60个足球场大小）的大工厂。预计明年竣工的聚变技术综合研究设施“夸父”（CRAFT）将成为一个庞大的研究中心，研究人员将在此研发并制造用于中国聚变工程实验堆及后续聚变电站所需的材料、部件和原型设施。

在美国，一处开发关键聚变技术的类似设施多年来始终被列为优先事项，但由于资金有限及其他问题，计划一直未能落地。怀特表示：“这一直令人沮丧。虽然出现了一些变革的迹象，但我们已经失去了领先地位。”

中国对建立核聚变研究人才队伍的重视使其具备了人才优势。位于阿宾顿的英国原子能管理局（UKAEA）等离子体物理学家孙红娟（音）表示，“他们确实投入了大量精力培养下一代人才。”孙红娟曾参与欧洲联合环状反应堆项目。阿兰估计，在核聚变研究领域，中国有多达数千名博士生，而美国仅有数百人。

商业努力

虽然中国的计划正在迅速推进，但世界各地的初创公司对聚变能源商业化运用的速度提出了更大胆的主张。

例如，从麻省理工学院中分拆出来的联邦聚变系统（CFS）公司承诺，其名为SPARC的托卡马克装置将成为首个产生聚变能量超过等离子体所消耗热量的装置。这家总部位于马萨诸塞州德文斯的公司正与麻省理工学院的研究人员合作，并表示SPARC将在2026年底前产生首批等离子体，这一进展依赖于高温超导材料方面的进步。相较于国际热核聚变实验堆和其他巨型设施，这些材料能够让他们更小巧且更快速地建造托卡马克装置。联邦聚变系统公司表示，将在本世纪30年代初建成向电网供电的聚变电站。其他公司也在对各种聚变电站的原型设计发表类似的乐观言论。

总部位于美国的聚变工业协会（FIA）表示，全球有40多家公司正致力于实现核聚变商业化运用，这些企业累计已获得71亿美元的投资。

与此同时，中国的核聚变产业也在蓬勃发展。据美国聚变工业协会首席执行官安德鲁·霍兰德 (Andrew Holland) 透露，仅在短短几年内，中国核聚变初创企业就吸引了超过5亿美元的投资，这一数字仅次于美国，后者在核聚变公司上的投资已超过50亿美元。“中国的私营企业在核聚变研究领域有重大投入。”

1月，由中国核工业集团牵头，25家国企、4所高校与1家私营公司组成的可控核聚变创新联合体正式宣布成立，以汇集资源、加速中国的聚变能源研究进程。

中国最大的民营能源企业之一——新奥集团，是聚变研究领域的产业巨头之一。根据聚变工业协会数据，新奥集团在其聚变能源项目上的投入已超2亿美元，其发展路线图是在2035年之前建造一个“商业示范”反应堆。

过去三年，中国涌现出一批致力于核聚变研发的公司。上海能量奇点科技有限公司便是其中之一，这家初创企业成立于2021年，是中国首家专注于核聚变发电的企业。与SPARC类似，能量奇点旨在利用最新的磁体材料优势，建造体积更小、成本更低的托卡马克装置。据联合创始人杨钊透露，该公司迄今已获得约1.1亿美元的资金支持。今年6月，其HH70托卡马克装置成功实现首次等离子放电，并采用了高温超导磁体。杨钊表示，这是全球首例。

高温超导托卡马克装置“洪荒70”。

能量奇点公司正在规划中的下一代设备“洪荒70”（HH70），其目标是产生比维持等离子体所需热量高出十倍的能量。杨钊与他的美国同行一样乐观，预计这座小型托卡马克装置仅需三到四年即可建成，而不必耗时数十年。

燃料的可获得性是聚变研究的一大问题。对于托卡马克装置来说，氘氚（D-T）等离子体混合物被认为是最高效的燃料之一。然而，自然界中氚的含量非常稀少，因此需要在聚变设施中通过聚变反应期间产生的中子与托卡马克装置内壁锂毯的反应来生产氚。这种“氚增殖”（Tritium breeding）是否切实可行，目前尚无定论。

国际热核聚变实验堆是探索这一问题的规模最大的研究项目之一。然而，中国有着更为迅速的计划：燃烧等离子体实验托卡马克（BEST），就建在聚变技术综合研究设施的旁边，预计将于2027年完工。宋云涛介绍说，该项目完工后将进行氘-氚等离子体（D-T）实验，并探索能否实现氚增殖。

许多人认为，这些都是为解决世界能源问题提供关键方案的长期努力的一部分。与私营公司的乐观态度相反，在全超导托卡马克核聚变实验装置的实验室，龚先祖认为聚变能源研究的竞赛更像是一场马拉松而非短跑。他还要进行数千次等离子体发射。“我们还有很多工作要做。”他说道。

（原文发布在美国《自然》杂志网站，原标题：中国引领全球核聚变研究竞赛的故事。Inside China's race to lead the world in nuclear fusion.）