中國(guó)的愿景

在全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置的控制室內(nèi)，龔先祖正準(zhǔn)備輕點(diǎn)鼠標(biāo)、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(guó)國(guó)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?！?

中國(guó)參與核聚變研究始于利用俄羅斯和德國(guó)設(shè)備部件建造的數(shù)個(gè)中小型托卡馬克裝置。2003年，中國(guó)與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯及美國(guó)共同加入了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃。

2006年，中國(guó)建成全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，該項(xiàng)目自建成起便多次刷新等離子體維持時(shí)間的世界紀(jì)錄，不僅僅是秒級(jí)，而是達(dá)到了分鐘級(jí)。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆科學(xué)部門負(fù)責(zé)人阿爾貝托·洛阿爾特（Alberto Loarte）表示，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置在生成持久等離子體方面的獨(dú)特能力，使其成為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的主力實(shí)驗(yàn)室，尤其是在快速交叉檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面。他評(píng)價(jià)道：“中國(guó)的研究非?；钴S?！?

洛阿爾特舉例說，今年1月，他和同事們對(duì)全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了為期一周的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證即便反應(yīng)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(shí)現(xiàn)等離子體的緊密約束（這些發(fā)現(xiàn)也給國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)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(yīng)堆壁襯）。

洛阿爾特表示，在許多國(guó)家，開展這類實(shí)驗(yàn)可能需要幾個(gè)月的籌備時(shí)間。然而在中國(guó)，許多研究小組無需正式提案或冗長(zhǎng)討論環(huán)節(jié)，便能在短短數(shù)周內(nèi)將計(jì)劃付諸實(shí)施。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆最初計(jì)劃于2020年啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)推遲至2039年。位于巴黎的法國(guó)替代能源與原子能委員會(huì)聚變科學(xué)家杰羅尼莫·加西亞·奧萊亞（Jeronimo Garcia Olaya）表示，大多數(shù)國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆國(guó)家都在同時(shí)發(fā)展本國(guó)核聚變能力，但很少有國(guó)家像中國(guó)這樣投入如此密集的努力。中國(guó)正在打造一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃，身兼日本那珂市JT-60SA實(shí)驗(yàn)聯(lián)合負(fù)責(zé)人的奧萊亞說道，該裝置是目前全球最大的在運(yùn)托卡馬克裝置。

除了全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置之外，中國(guó)還擁有于2020年在成都西南物理研究院?jiǎn)⒂玫摹爸袊?guó)環(huán)流器三號(hào)”（HL-3）托卡馬克等其它聚變反應(yīng)堆研究設(shè)施。這些設(shè)施的實(shí)驗(yàn)成果將為下一代中國(guó)聚變工程試驗(yàn)堆提供數(shù)據(jù)支持，盡管其建設(shè)尚需得到政府批準(zhǔn)。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(gè)明確的審批時(shí)間表，但政府在決策時(shí)會(huì)考慮國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的進(jìn)度。中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的規(guī)模將略大于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆，以填補(bǔ)后者這一純實(shí)驗(yàn)設(shè)備與一座示范性核聚變發(fā)電站之間的差距。

“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”是我國(guó)目前設(shè)計(jì)參數(shù)最高、規(guī)模最大的核聚變大科學(xué)裝置，也被稱為中國(guó)的新一代“人造太陽(yáng)”。視頻截圖

中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的首要目標(biāo)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(shè)施運(yùn)行所消耗的全部電力。到本世紀(jì)40年代，其目標(biāo)是提供十倍于直接輸入等離子體的熱量，這是實(shí)現(xiàn)可行聚變反應(yīng)的關(guān)鍵里程碑，同時(shí)還將產(chǎn)出高達(dá)一吉瓦瓦的凈電能。若實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(guó)聚變工程試驗(yàn)堆工程設(shè)計(jì)報(bào)告意味著該設(shè)施將領(lǐng)先多個(gè)示范性核電站，包括歐盟和日本提出建設(shè)的DEMO反應(yīng)堆。兩者預(yù)計(jì)分別在2029年和2025年啟動(dòng)工程設(shè)計(jì)。

阿蘭認(rèn)為，中國(guó)在核聚變研究方面的優(yōu)勢(shì)并不在于突出的工程創(chuàng)新，而在于速度和對(duì)開發(fā)建造反應(yīng)堆所需的材料、組件和診斷系統(tǒng)的關(guān)注。

為了開發(fā)中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，中科院等離子體物理研究所已開始在全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置不遠(yuǎn)處建造一個(gè)占地40公頃（約60個(gè)足球場(chǎng)大?。┑拇蠊S。預(yù)計(jì)明年竣工的聚變技術(shù)綜合研究設(shè)施“夸父”（CRAFT）將成為一個(gè)龐大的研究中心，研究人員將在此研發(fā)并制造用于中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆及后續(xù)聚變電站所需的材料、部件和原型設(shè)施。

在美國(guó)，一處開發(fā)關(guān)鍵聚變技術(shù)的類似設(shè)施多年來始終被列為優(yōu)先事項(xiàng)，但由于資金有限及其他問題，計(jì)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(lǐng)先地位?！?

中國(guó)對(duì)建立核聚變研究人才隊(duì)伍的重視使其具備了人才優(yōu)勢(shì)。位于阿賓頓的英國(guó)原子能管理局（UKAEA）等離子體物理學(xué)家孫紅娟（音）表示，“他們確實(shí)投入了大量精力培養(yǎng)下一代人才?！睂O紅娟曾參與歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆項(xiàng)目。阿蘭估計(jì)，在核聚變研究領(lǐng)域，中國(guó)有多達(dá)數(shù)千名博士生，而美國(guó)僅有數(shù)百人。

商業(yè)努力

雖然中國(guó)的計(jì)劃正在迅速推進(jìn)，但世界各地的初創(chuàng)公司對(duì)聚變能源商業(yè)化運(yùn)用的速度提出了更大膽的主張。

例如，從麻省理工學(xué)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(gè)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(xué)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(jìn)展依賴于高溫超導(dǎo)材料方面的進(jìn)步。相較于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆和其他巨型設(shè)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(jì)30年代初建成向電網(wǎng)供電的聚變電站。其他公司也在對(duì)各種聚變電站的原型設(shè)計(jì)發(fā)表類似的樂觀言論。

總部位于美國(guó)的聚變工業(yè)協(xié)會(huì)（FIA）表示，全球有40多家公司正致力于實(shí)現(xiàn)核聚變商業(yè)化運(yùn)用，這些企業(yè)累計(jì)已獲得71億美元的投資。

與此同時(shí)，中國(guó)的核聚變產(chǎn)業(yè)也在蓬勃發(fā)展。據(jù)美國(guó)聚變工業(yè)協(xié)會(huì)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(guó)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(guó)，后者在核聚變公司上的投資已超過50億美元?！爸袊?guó)的私營(yíng)企業(yè)在核聚變研究領(lǐng)域有重大投入?！?

1月，由中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)牽頭，25家國(guó)企、4所高校與1家私營(yíng)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(guó)的聚變能源研究進(jìn)程。

中國(guó)最大的民營(yíng)能源企業(yè)之一——新奧集團(tuán)，是聚變研究領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)巨頭之一。根據(jù)聚變工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，新奧集團(tuán)在其聚變能源項(xiàng)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(gè)“商業(yè)示范”反應(yīng)堆。

過去三年，中國(guó)涌現(xiàn)出一批致力于核聚變研發(fā)的公司。上海能量奇點(diǎn)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(guó)首家專注于核聚變發(fā)電的企業(yè)。與SPARC類似，能量奇點(diǎn)旨在利用最新的磁體材料優(yōu)勢(shì)，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(shí)現(xiàn)首次等離子放電，并采用了高溫超導(dǎo)磁體。楊釗表示，這是全球首例。

高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置“洪荒70”。

能量奇點(diǎn)公司正在規(guī)劃中的下一代設(shè)備“洪荒70”（HH70），其目標(biāo)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(guó)同行一樣樂觀，預(yù)計(jì)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(shí)數(shù)十年。

燃料的可獲得性是聚變研究的一大問題。對(duì)于托卡馬克裝置來說，氘氚（D-T）等離子體混合物被認(rèn)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?cè)O(shè)施中通過聚變反應(yīng)期間產(chǎn)生的中子與托卡馬克裝置內(nèi)壁鋰毯的反應(yīng)來生產(chǎn)氚。這種“氚增殖”（Tritium breeding）是否切實(shí)可行，目前尚無定論。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆是探索這一問題的規(guī)模最大的研究項(xiàng)目之一。然而，中國(guó)有著更為迅速的計(jì)劃：燃燒等離子體實(shí)驗(yàn)托卡馬克（BEST），就建在聚變技術(shù)綜合研究設(shè)施的旁邊，預(yù)計(jì)將于2027年完工。宋云濤介紹說，該項(xiàng)目完工后將進(jìn)行氘-氚等離子體（D-T）實(shí)驗(yàn)，并探索能否實(shí)現(xiàn)氚增殖。

許多人認(rèn)為，這些都是為解決世界能源問題提供關(guān)鍵方案的長(zhǎng)期努力的一部分。與私營(yíng)公司的樂觀態(tài)度相反，在全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)室，龔先祖認(rèn)為聚變能源研究的競(jìng)賽更像是一場(chǎng)馬拉松而非短跑。他還要進(jìn)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(guó)《自然》雜志網(wǎng)站，原標(biāo)題：中國(guó)引領(lǐng)全球核聚變研究競(jìng)賽的故事。 Inside China's race to lead the world in nuclear fusion.）

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