CNE 上海核博會
中國國際核聚變與核能源產(chǎn)業(yè)大會暨博覽會
2025年7月16-18日 中國-上海
杰瑪·康羅伊：中國正在競逐核聚變研究的世界領導者瀏覽數(shù):6次
 【文/杰瑪·康羅伊，翻譯/陳佳芮，校對/郭涵】 今年二月一個寒冷的清晨，位于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(jié)即將來臨，城里的大多數(shù)人都忙著準備慶祝龍年。然而，研究所里的科研人員依舊埋頭苦干。在一間巨大的、天花板上點綴著星形紅色霓虹的控制室里，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，即全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。這個托卡馬克裝置形似一個甜甜圈，能夠產(chǎn)生與驅(qū)動恒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(zhì)）的加熱環(huán)路限制在比太陽核心溫度更高的環(huán)境中，迫使原子產(chǎn)生核聚變并釋放能量。若能將熾熱、不穩(wěn)定的等離子體維持在足夠穩(wěn)定且可控的狀態(tài)、持續(xù)足夠長的時間，便幾乎可以產(chǎn)生無限量的清潔能源，這是一項尚待實現(xiàn)的壯舉。 中科院合肥物質(zhì)科學研究院等離子體物理研究所有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）視頻截圖 駕馭不穩(wěn)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，位于英國庫勒姆（Culham）的歐洲聯(lián)合環(huán)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，那里每日僅能完成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：“我們幾乎沒有周末，也沒有假期。” 盡管全超導托卡馬克核聚變實驗裝置只是通往引發(fā)廣泛期待的核聚變發(fā)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），這個位于法國南部的龐大托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(yè)已籌集數(shù)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(guī)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(fā)展的重大優(yōu)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(xiàn)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。他還說：“比總價值更重要的是他們實現(xiàn)這一目標的速度有多么快?！?/span> 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(fā)展為擁有世界級水平的國家?！?/span> 盡管還無人能預見核聚變發(fā)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啟動主要實驗之前，中國計劃建成中國聚變工程實驗堆（CFETR），目標是產(chǎn)出一吉瓦的聚變能量。根據(jù)2022年制定的發(fā)展路線圖，若該計劃順利實施，人類有望在未來幾十年內(nèi)迎來第一座核聚變發(fā)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(zhàn)略性地投資與發(fā)展核聚變能源計劃，以期在全球范圍內(nèi)保持長期領先地位?！?/span> 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并成一個更大的氦原子核。在太陽內(nèi)部，引力產(chǎn)生的巨大壓力足以實現(xiàn)這一過程；而在地球上則需要高溫和強磁場的輔助。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(chǎn)生相比引發(fā)核聚變反應所需更多的能量。 2022年底，位于美國加州利弗莫爾的美國國家點火裝置（NIF）研究人員宣布取得了突破性進展，他們在短時間內(nèi)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托卡馬克裝置的替代設計，向氫同位素氘和氚的微小顆粒發(fā)射192束激光，引發(fā)了它們的聚變反應。然而，用于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(xiàn)核聚變能最可行的方法是利用托卡馬克裝置來約束一個持久的“燃燒等離子體”，其中，聚變反應產(chǎn)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(fā)電站的一般先決條件便是創(chuàng)造一種燃燒等離子體，其產(chǎn)生的能量是輸送給等離子體的十倍。 若科學家能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標，核聚變技術將提供一種比傳統(tǒng)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(chǎn)生的放射性廢料，其危害性可能持續(xù)數(shù)千年。而聚變反應堆產(chǎn)生的廢料則壽命較短。其另一大安全特點在于，如果等離子體降至一定溫度或密度以下，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(gòu)指出，每千克燃料產(chǎn)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(lián)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(qū)因寒冬時節(jié)電力需求的激增而出現(xiàn)大規(guī)模停電。盡管可再生能源領域發(fā)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(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，但其能源需求將在未來三十年內(nèi)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云濤表示：“我們需要推動創(chuàng)新、減少碳排放，這是我們的夢想。核聚變能源可以實現(xiàn)這一點?！?/span> 中國的愿景 在全超導托卡馬克核聚變實驗裝置的控制室內(nèi)，龔先祖正準備輕點鼠標、再次發(fā)射等離子體脈沖。等離子體被約束在控制室顯示器墻后面的真空室中，室頂懸掛著中國國旗。龔先祖說：“每一次發(fā)射都可能為聚變能源的未來提供支持?！?/span> 中國參與核聚變研究始于利用俄羅斯和德國設備部件建造的數(shù)個中小型托卡馬克裝置。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，中國建成全超導托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托·洛阿爾特（Alberto Loarte）表示，全超導托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(jié)果方面。他評價道：“中國的研究非?；钴S?！?/span> 洛阿爾特舉例說，今年1月，他和同事們對全超導托卡馬克核聚變實驗裝置進行了為期一周的實驗，以驗證即便反應堆面向等離子體的內(nèi)壁未涂覆隔絕雜質(zhì)的硼層，通過鎢材料的內(nèi)襯也能實現(xiàn)等離子體的緊密約束（這些發(fā)現(xiàn)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(huán)節(jié)，便能在短短數(shù)周內(nèi)將計劃付諸實施。 國際熱核聚變實驗反應堆最初計劃于2020年啟動實驗，但一直飽受延期的困擾。今年7月，研究人員宣布，將把主要實驗推遲至2039年。位于巴黎的法國替代能源與原子能委員會聚變科學家杰羅尼莫·加西亞·奧萊亞（Jeronimo Garcia Olaya）表示，大多數(shù)國際熱核聚變實驗堆國家都在同時發(fā)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(lián)合負責人的奧萊亞說道，該裝置是目前全球最大的在運托卡馬克裝置。 除了全超導托卡馬克核聚變實驗裝置之外，中國還擁有于2020年在成都西南物理研究院啟用的“中國環(huán)流器三號”（HL-3）托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(shù)據(jù)支持，盡管其建設尚需得到政府批準。一位不愿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(guī)模將略大于國際熱核聚變實驗堆，以填補后者這一純實驗設備與一座示范性核聚變發(fā)電站之間的差距。  “中國環(huán)流三號”是我國目前設計參數(shù)最高、規(guī)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(chǎn)生100至200兆瓦的凈功率，即產(chǎn)生的電力超過用于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，其目標是提供十倍于直接輸入等離子體的熱量，這是實現(xiàn)可行聚變反應的關鍵里程碑，同時還將產(chǎn)出高達一吉瓦瓦的凈電能。若實現(xiàn)這一目標，一座示范性發(fā)電站將有能力向電網(wǎng)輸電。 2022年發(fā)布的中國聚變工程試驗堆工程設計報告意味著該設施將領先多個示范性核電站，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年啟動工程設計。 阿蘭認為，中國在核聚變研究方面的優(yōu)勢并不在于突出的工程創(chuàng)新，而在于速度和對開發(fā)建造反應堆所需的材料、組件和診斷系統(tǒng)的關注。 為了開發(fā)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托卡馬克核聚變實驗裝置不遠處建造一個占地40公頃（約60個足球場大?。┑拇蠊S。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(fā)并制造用于中國聚變工程實驗堆及后續(xù)聚變電站所需的材料、部件和原型設施。 在美國，一處開發(fā)關鍵聚變技術的類似設施多年來始終被列為優(yōu)先事項，但由于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(xiàn)了一些變革的跡象，但我們已經(jīng)失去了領先地位?！?/span> 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(yōu)勢。位于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(yǎng)下一代人才。”孫紅娟曾參與歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應堆項目。阿蘭估計，在核聚變研究領域，中國有多達數(shù)千名博士生，而美國僅有數(shù)百人。 商業(yè)努力 雖然中國的計劃正在迅速推進，但世界各地的初創(chuàng)公司對聚變能源商業(yè)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(lián)邦聚變系統(tǒng)（CFS）公司承諾，其名為SPARC的托卡馬克裝置將成為首個產(chǎn)生聚變能量超過等離子體所消耗熱量的裝置。這家總部位于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，并表示SPARC將在2026年底前產(chǎn)生首批等離子體，這一進展依賴于高溫超導材料方面的進步。相較于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托卡馬克裝置。聯(lián)邦聚變系統(tǒng)公司表示，將在本世紀30年代初建成向電網(wǎng)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(fā)表類似的樂觀言論。 總部位于美國的聚變工業(yè)協(xié)會（FIA）表示，全球有40多家公司正致力于實現(xiàn)核聚變商業(yè)化運用，這些企業(yè)累計已獲得71億美元的投資。 與此同時，中國的核聚變產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展。據(jù)美國聚變工業(yè)協(xié)會首席執(zhí)行官安德魯·霍蘭德 (Andrew Holland) 透露，僅在短短幾年內(nèi)，中國核聚變初創(chuàng)企業(yè)就吸引了超過5億美元的投資，這一數(shù)字僅次于美國，后者在核聚變公司上的投資已超過50億美元?！爸袊乃綘I企業(yè)在核聚變研究領域有重大投入?！?/span> 1月，由中國核工業(yè)集團牽頭，25家國企、4所高校與1家私營公司組成的可控核聚變創(chuàng)新聯(lián)合體正式宣布成立，以匯集資源、加速中國的聚變能源研究進程。 中國最大的民營能源企業(yè)之一——新奧集團，是聚變研究領域的產(chǎn)業(yè)巨頭之一。根據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，新奧集團在其聚變能源項目上的投入已超2億美元，其發(fā)展路線圖是在2035年之前建造一個“商業(yè)示范”反應堆。 過去三年，中國涌現(xiàn)出一批致力于核聚變研發(fā)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(chuàng)企業(yè)成立于2021年，是中國首家專注于核聚變發(fā)電的企業(yè)。與SPARC類似，能量奇點旨在利用最新的磁體材料優(yōu)勢，建造體積更小、成本更低的托卡馬克裝置。據(jù)聯(lián)合創(chuàng)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托卡馬克裝置成功實現(xiàn)首次等離子放電，并采用了高溫超導磁體。楊釗表示，這是全球首例。  高溫超導托卡馬克裝置“洪荒70”。 能量奇點公司正在規(guī)劃中的下一代設備“洪荒70”（HH70），其目標是產(chǎn)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，預計這座小型托卡馬克裝置僅需三到四年即可建成，而不必耗時數(shù)十年。 燃料的可獲得性是聚變研究的一大問題。對于托卡馬克裝置來說，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(chǎn)生的中子與托卡馬克裝置內(nèi)壁鋰毯的反應來生產(chǎn)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(guī)模最大的研究項目之一。然而，中國有著更為迅速的計劃：燃燒等離子體實驗托卡馬克（BEST），就建在聚變技術綜合研究設施的旁邊，預計將于2027年完工。宋云濤介紹說，該項目完工后將進行氘-氚等離子體（D-T）實驗，并探索能否實現(xiàn)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(tài)度相反，在全超導托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(shù)千次等離子體發(fā)射?！拔覀冞€有很多工作要做?！彼f道。 （原文發(fā)布在美國《自然》雜志網(wǎng)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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