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《自然》长文盘点中国核聚变研究反应堆

知识分子 · 公众号 · 科学 · 2024-12-01 09:29

正文

12.1‍

知识分子

The Intellectual

位于中国合肥中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）的全超导非圆截面托卡马克核聚变装置（EAST）。图片来源：中国科学院等离子体物理研究所

导读

中国计划建造聚变发电厂，以提供清洁、无限的能源。这能否实现？

撰文｜Gemma Conroy

来源｜Nature Portfolio

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中国合肥

在合肥的一个寒冷的二月早晨，中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）覆雪的场地安静异常。新年即将来临，城市中的大多数人都在准备庆祝龙年。而在研究所里，研究人员仍在紧张工作。在巨大的控制室内，天花板上镶嵌着红色霓虹灯星星，等离子体物理学家龚先祖正在驯服另一种自然伟力。

龚先祖的“龙”是一台聚变研究反应堆：全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST，中文名为“东方超环”）。托卡马克装置是一种环状装置，产生的正是驱动恒星相同的核反应。它们利用磁场来约束加热的等离子体环——一种包含离子和电子的流体状物质状态，其温度比太阳核心还要高。其目的是使原子核发生聚变，释放能量。如果能够保持和控制这些炽热而不稳定的等离子体足够长的时间，这种能量就可以被用作几乎无限的清洁能源——这是一个尚未实现的壮举。

控制不稳定的等离子体是艰苦的工作。每天，龚先祖和他的同事们从早晨到午夜要进行约100次等离子体的点火实验。相比之下，英国卡勒姆的联合欧洲托卡马克装置（JET）在去年关闭前曾是世界上最大的聚变研究设施，每天仅能进行20到30次点火。“我们几乎没有周末，也没有假期。”龚先祖说，他负责EAST的理论和实验操作。

尽管EAST只是迈向预期聚变发电厂的一小步，但它是中国走进全球核聚变竞赛圈的重要设施之一。

世上最知名的聚变实验是耗资220亿美元的国际热核聚变实验堆（ITER），这是一台正在法国南部建造的巨大托卡马克装置，中国也参与其中。近年来，美国及其他地区的一些雄心勃勃的公司筹集了数十亿美元，计划建造他们自己的反应堆，声称将比国家主导的计划更早展示实用的聚变电力。

与此同时，中国正迅速向聚变领域投入资源。中国政府的现行五年计划将关键聚变项目的综合研究设施列为国家科技基础设施的重点。据估计，中国现在每年在聚变研究上可能花费15亿美元，几乎是今年美国政府为此研究拨款的两倍，美国能源部聚变能源科学办公室副主任Jean Paul Allain说，“而比投入的总额更重要的是他们执行的速度。”

“过去25年，中国从局外人成长为拥有世界级能力的国家。”麻省理工学院（MIT）的核科学家Dennis Whyte说。

虽然目前还没有人知道聚变发电厂是否真的可行，但中国科学家的时间表展现出了巨大的雄心壮志。预计在2030年代，在ITER开始其主要实验之前，中国计划建造中国聚变工程试验堆（CFETR），目标是产生高达1吉瓦的聚变能量。如果中国的计划顺利进行，根据2022年的一个路线图，一个试行聚变发电厂可能会在接下来的几十年中出现（J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022）。

“中国正采取一种战略性方法投资和发展其聚变能源项目，着眼于在全球范围保持长期领先。”伦敦帝国理工学院的等离子体物理学家Yasmin Andrew说。

打造人造太阳

自1950年代以来，科学家们一直试图使聚变反应堆正常工作。其基本思路是将两个氢原子核——它们带正电荷，因此会相互排斥——融合成一个较大的氦原子核。在太阳中，引力可以产生足够的压力来实现这一点；在地球上，则需要高温和强磁场。然而，到目前为止，研究人员还未能使聚变反应持续足够长的时间，使之产生的能量超过引发它所用掉的能量。

2022年底，美国加利福尼亚州利弗莫尔的国家点火装置（NIF）的研究人员宣布了一项突破性进展，他们在短时间内回收了超过投入目标的聚变能量。NIF采用了一种与托卡马克装置不同的设计，使用192束激光束瞄准一个微小的氘和氚同位素燃料球，从而引发聚变。然而，操作激光器所需的能量远远超过了输入给目标的能量。许多研究人员认为，最实际的聚变能源方法将是使用托卡马克装置来约束一个持久的“燃烧等离子体”，其中聚变反应提供维持它所需的热量。ITER的一个目标——被认为是可行聚变发电厂的普遍前提——是创造一个可以产生十倍于投入能量的燃烧等离子体。

如果科学家们能够做到这一点，核聚变将为传统的核裂变发发电厂提供一种更安全、更清洁的替代方案。裂变是分裂重的铀核，产生的放射性废料可能会在几千年里都有危险性。而聚变反应堆产生的废料寿命比较短。另一个安全特性是，如果等离子体的温度或密度下降到一定程度，聚变反应将自动停止。而且这一过程预计比裂变更有效率；国际原子能机构称，聚变反应每公斤燃料所产生的能量可能是裂变的四倍。

对于中国来说，这是一个特别诱人的前景，在2020年至2022年间，一些地区由于寒冷冬季导致电力需求激增而经历了大规模的停电。尽管可再生能源发展迅速，中国仍然有一半以上的电力来自煤炭，并且仍然是全球碳排放的最大来源国。尽管中国计划在2030年达到碳排放峰值，并在2060年实现碳中和，其未来三十年的能源需求预计将翻一番。“我们需要能够减少碳排放的创新——这是我们的梦想。核聚变能源可以做到这一点。”ASIPP所长宋云涛说。

中国的愿景

在EAST的控制室内，龚先祖准备点击鼠标，发射另一波等离子体。等离子体本身位于控制室监控墙后的真空室中，顶上悬挂着中国国旗。“每次点火都有可能对聚变能源的未来有所助益。”龚先祖说。

中国的聚变研究始于使用来自俄罗斯和德国设备的部件建造几台小型和中型托卡马克装置。2003年，中国加入了国际ITER实验，与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国携手合作。

2006年，中国开放了EAST装置，该装置已创下持续数分钟而非数秒的等离子体世界纪录。EAST在创造长寿命等离子体方面的优势使其成为ITER的重要实验平台，特别是用于快速交叉验证结果，ITER科学部门负责人Alberto Loarte说。“中国的研究非常活跃。”他说。

Loarte提到，今年一月，他和同事在EAST进行了一周的实验，以验证用钨衬里反应堆的等离子体壁能否实现紧密约束的等离子体，即使这些壁没有涂上一层硼以防止杂质进入。（这些发现将帮助ITER，后者在2023年10月决定将壁衬材料改为钨而非铍。）在许多国家，这样的工作可能需要几个月的时间来组织，Loarte说。但在中国，计划通常在几周内就能敲定，因为许多研究组不需要正式的提案或长时间的讨论就可以开始工作。

ITER原计划在2020年启动实验，但由于种种原因推迟了。在7月，研究人员宣布将其主要实验推迟到2039年。大多数ITER成员国正在并行发展其国内的聚变能力，但很少有国家像中国那样集中投入，法国原子能和替代能源委员会的聚变科学家Jeronimo Garcia Olaya说。“他们正在打造一个非常雄心勃勃的计划。”Olaya说，他是日本中型托卡马克装置JT-60SA的实验共同负责人，这是目前是世界上最大的运行中的托卡马克装置。

除了EAST之外，中国的其他聚变研究反应堆还包括2020年在成都西南物理研究所启用的HL-3托卡马克装置。在中国设施上进行的实验将为下一代CFETR提供数据，尽管其建设尚需政府批准。ASIPP的一名不愿透露姓名的人士表示，无法给出明确时间表，但政府正在将ITER的时间表纳入决策考量。CFETR将略大于ITER，旨在弥补ITER（一个纯粹的实验设备）与能够发电的示范发电厂之间的差距。

EAST真空室内的一位研究人员。图片来源：中国科学院等离子体物理研究所

CFETR首先旨在产生100至200兆瓦的净功率：产生的功率超过用于加热等离子体的功率，但不足以覆盖装置的运行电力。到2040年代，它的目标是产生比直接投入等离子体的能量多十倍以上的热量，这是可控核聚变的里程碑，同时还要产生高达1吉瓦的净功率。如果能够实现，示范发电厂将开始给电网供给电力。

CFETR的工程设计报告于2022年发布，使该设施领先于几个示范发电厂，包括欧盟和日本提出的DEMO反应堆——预计分别在2029年和2025年开始其工程设计。

中国在聚变研究方面的优势不在于突出的工程创新，Allain说，而在于其在开发建造反应堆所需的材料、组件和诊断系统方面的速度和专注力。

为了开发CFETR，ASIPP已经开始建设一个距EAST不远的占地40公顷的庞大车间（约60个足球场大小）。这个聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）是一个巨大的中心，研究人员将在那里开发和制造CFETR及后续聚变发电厂的材料、组件和原型。

在美国，一个类似的用于开发关键聚变技术的设施已经多年被列为优先事项，但由于资金有限等问题，计划未能实现，Whyte说。“这令人沮丧。”他说。“有些积极改变的迹象，但我们失去了领先地位。”

中国对培养聚变人才的重视也使其在人员方面占据了优势，英国原子能管理局的等离子体物理学家Hongjuan Sun说。“他们确实在培养下一代方面投入了大量精力。”她说，她曾在JET工作。Allain估计中国有几千位聚变领域的博士生，而美国只有数百人。

商业努力

中国的计划在快速推进，而世界各地的初创公司则对实现商业化聚变能源的速度提出了更大胆的主张。

例如，麻省理工学院（MIT）孵化的初创公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）承诺其SPARC托卡马克装置将第一个产生超过等离子体消耗的聚变能量。该公司总部位于马萨诸塞州的德文斯，正与MIT研究人员合作，称SPARC将在2026年底实现第一次等离子体点火。该项目依赖于高温超导材料的进步，这应使其托卡马克装置比ITER和其他巨型设施小得多且建造更快。CFS表示将在2030年代初期拥有可给电网供电的聚变发电厂。其他公司也对各自的聚变发电厂设计提出了类似的乐观声明。

美国的聚变产业协会（FIA）表示，全球范围内，已有40多家公司致力于商业化聚变反应堆，并已获得71亿美元的投资。

中国的核聚变产业也在迅速发展。中国的聚变初创公司在短短几年内就吸引了超过5亿美元的投资，FIA首席执行官Andrew Holland说。这使中国仅居美国次席，后者已经向聚变公司投入了超过50亿美元。“中国的私营机构也在积极投身聚变。”他说。

今年一月，中国政府成立了一个名为中国聚变能源的国家协会，由中国核工业集团公司领导。它汇集了25家国有企业、四所大学和一家私人公司，目的是整合资源，加速中国的聚变进程。

聚变研究的工业巨头之一是中国最大的私营能源集团之一——ENN集团。据FIA，该公司已向其聚变能源项目投资超2亿美元。ENN设想于2035年完成一个“商业示范”反应堆的建造。

在过去三年中，中国还涌现了一批专注于聚变反应的公司。其中之一是于2021年成立的上海初创公司能量奇点（Energy Singularity），这也是中国首家专注于聚变电力的公司。与SPARC类似，Energy Singularity旨在利用最新的磁体材料建造更小、更便宜的托卡马克装置；公司联合创始人杨钊表示，公司迄今已吸引了约1.1亿美元的资金。今年六月，该公司研发的HH70托卡马克装置实现了其首次等离子体点火，并使用了高温超导磁体——杨钊表示这是全球首次。

能量奇点计划开发下一代装置HH170，目标是产生比产生等离子体消耗的能量多十倍的能量。和美国公司一样乐观，杨钊估计这一小型托卡马克装置只需三到四年即可建成，而非数十年。

聚变反应的一个大问题是燃料的可获得性。

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