2024年8月28日，《自然》（Nature）刊發(fā)了一篇題為《Inside China’s race to lead the world in nuclear fusion》的新聞，深入報(bào)道了我國在可控核聚變領(lǐng)域取得的成就和未來的發(fā)展前景。

        文章介紹了能量奇點(diǎn)的工作進(jìn)展，包括已建成運(yùn)行的洪荒70高溫超導(dǎo)托卡馬克裝置以及設(shè)計(jì)中的洪荒170裝置。

        我們在8月29日轉(zhuǎn)發(fā)了該文的英文原文，然后花了一點(diǎn)時(shí)間（在AI的協(xié)助下）把原文翻譯為中文，以方便讀者。 水平所限，如譯文有任何不準(zhǔn)確之處，請以原文為準(zhǔn)。

中國科學(xué)院等離子體物理研究所（ASIPP）在中國合肥的EAST聚變研究托卡馬克裝置。圖片來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所。

中國 合肥

        在一個(gè)寒冷早春的清晨，中國科學(xué)院等離子體物理研究所（ASIPP）的地面被積雪覆蓋，異常寧靜。春節(jié)將至，城市里的大多數(shù)人都在準(zhǔn)備著以龍為主題的各種慶?；顒?。但在研究所內(nèi)，科學(xué)家們?nèi)栽谛燎诠ぷ鳌Ｔ谝粋€(gè)巨大的控制室內(nèi)，天花板上點(diǎn)綴著紅色霓虹燈星星，等離子體物理學(xué)家龔先祖正在馴服一頭不同尋常的“龍”。

        龔先祖的“龍”是一座可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置：先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克（EAST）。托卡馬克是一種環(huán)形機(jī)器，其內(nèi)部能夠進(jìn)行與恒星相同的核聚變反應(yīng)。它們利用磁場來控制高溫等離子體——一種含有離子和電子的磁流體狀物質(zhì)——其溫度比太陽核心的溫度還要高。目標(biāo)是迫使原子核融合，發(fā)生聚變反應(yīng)，進(jìn)而釋放能量。如果能夠維持和控制這種熾熱、不穩(wěn)定的等離子體足夠長的時(shí)間，這種能量就可以作為幾乎無限的清潔能源的來源——這還是一個(gè)人類尚未完成的壯舉。

        馴服難以駕馭的等離子體是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。每天，龔先祖和他的同事們從清晨到午夜會進(jìn)行大約100次等離子體放電實(shí)驗(yàn)。相比之下，于去年關(guān)閉的原世界上最大聚變研究設(shè)施——位于英國的歐洲聯(lián)合環(huán)（JET），每天只能進(jìn)行20到30次放電。“我們幾乎沒有周末，沒有假期。”龔先祖說，他是EAST物理和實(shí)驗(yàn)操作的負(fù)責(zé)人。

龔先祖（右）與等離子體物理研究所所長宋云濤。圖片來源：Huang Bohan/IMAGO via Alamy

        盡管EAST只是建設(shè)未來的聚變發(fā)電廠的其中一步，它是使得中國在全球核聚變競賽中嶄露頭角的設(shè)施之一。

        全球最著名的聚變實(shí)驗(yàn)裝置是已耗資220億美元的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），這是一個(gè)正在法國南部建造的巨型托卡馬克，中國也為其做出了貢獻(xiàn)。近年來，美國和其他國家的商業(yè)公司已經(jīng)籌集了數(shù)十億美元來建造他們自己的聚變裝置，他們聲稱，這些裝置將先于政府主導(dǎo)的項(xiàng)目展示聚變發(fā)電的能力。

        與此同時(shí)，中國正在迅速將資源投入到聚變研發(fā)當(dāng)中。中國政府在當(dāng)前的五年計(jì)劃里將關(guān)鍵聚變項(xiàng)目的綜合研究設(shè)施列為國家科技基礎(chǔ)設(shè)施的重大優(yōu)先項(xiàng)目。據(jù)美國能源部聚變能源科學(xué)辦公室副主任Jean Paul Allain估計(jì)，中國目前每年在聚變研發(fā)上的投入可能高達(dá)15億美元——這幾乎是美國政府今年投入聚變研發(fā)資金的兩倍。“比投資總額更重要的是他們進(jìn)展的速度。”Allain說。

        “25年前，中國在可控核聚變領(lǐng)域還乏善可陳，而現(xiàn)在，中國已經(jīng)擁有世界級的聚變研發(fā)能力。”麻省理工學(xué)院（MIT）的核科學(xué)家Dennis Whyte說。

        盡管目前還沒有人知道聚變電站究竟是否可行，但中國科學(xué)家們已經(jīng)制定了雄心勃勃的時(shí)間表。到2030年代，即ITER投入運(yùn)行之前，中國計(jì)劃建造中國聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR），目標(biāo)是產(chǎn)生高達(dá)1000兆瓦的聚變功率。如果這一計(jì)劃得以實(shí)現(xiàn)，根據(jù)一份發(fā)表于2022年的路線圖（J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022），用于聚變發(fā)電的示范電站有望在未來幾十年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。

        “中國正在戰(zhàn)略性地投資和發(fā)展聚變能源項(xiàng)目，其目標(biāo)是在該領(lǐng)域取得長期領(lǐng)導(dǎo)地位。”倫敦帝國理工學(xué)院的等離子體物理學(xué)家Yasmin Andrew說。

建造人造太陽

        自20世紀(jì)50年代以來，科學(xué)家們一直在嘗試建造聚變反應(yīng)堆。其原理是將兩個(gè)帶有正電荷并相互排斥的氫原子核融合成一個(gè)更大的氦原子核（這個(gè)過程將損失質(zhì)量，釋放能量）。在太陽中，巨大的重力會產(chǎn)生足夠的壓力來迫使原子核相互融合；而在地球上，這需要高溫和強(qiáng)磁場來實(shí)現(xiàn)。然而，到目前為止，科學(xué)家們還無法讓聚變反應(yīng)持續(xù)足夠長的時(shí)間，以產(chǎn)生出比激發(fā)反應(yīng)所需能量更多的能量。

        2022年底，位于美國加州利弗莫爾的美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）取得了突破，科學(xué)家們短暫地從聚變反應(yīng)中產(chǎn)生出了比輸入能量更多的聚變能量。NIF的工作原理與托卡馬克不同，它通過向含有氫同位素氘和氚的小靶核發(fā)射192束激光，促使聚變反應(yīng)發(fā)生。然而，為產(chǎn)生這些激光所消耗的電能遠(yuǎn)大于激光輸入靶核的能量。許多研究人員認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)聚變能源最可行的方法是使用托卡馬克來控制一個(gè)長脈沖的“燃燒等離子體”，在這種等離子體中，聚變反應(yīng)本身將能夠提供維持它所需要的能量。ITER的目標(biāo)之一，就是創(chuàng)造一個(gè)輸出功率是輸入功率十倍的燃燒等離子體，這被認(rèn)為是建設(shè)聚變電站的先決條件。

正在法國建造的巨型ITER裝置。圖片來源：Nicolas Tucat/AFP via Getty

        如果科學(xué)家能夠做到這一點(diǎn)，核聚變將提供一個(gè)比傳統(tǒng)的核裂變電站更安全、更清潔的替代方案。傳統(tǒng)的核裂變電站通過分裂重鈾原子核產(chǎn)生放射性廢物，這些廢物的放射性將持續(xù)數(shù)千年。與之相比，聚變只會產(chǎn)生半衰期極短的廢物。另外，當(dāng)?shù)入x子體的溫度或密度降到反應(yīng)閾值以下，聚變反應(yīng)就會自行停止。而且，聚變反應(yīng)比裂變更高效；根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，每公斤聚變?nèi)剂袭a(chǎn)生的能量是裂變的四倍。

        對中國而言，聚變能源的前景尤其具有吸引力。在2020年到2022年之間，由于冬季寒冷天氣導(dǎo)致的電力需求激增，中國有幾個(gè)地區(qū)經(jīng)歷了大規(guī)模的停電。盡管可再生能源在中國發(fā)展迅速，但目前仍有超過一半的電力來自燃煤，并且仍是全球最大的碳排放國。中國的目標(biāo)是在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，并在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，但在未來三十年內(nèi)，其能源需求預(yù)計(jì)將翻一番。“我們需要創(chuàng)新的技術(shù)來減少碳排放，核聚變能源可以做到這一點(diǎn)——這是我們的夢想。”等離子體物理學(xué)家、等離子體物理研究所所長宋云濤說。

中國愿景

        在EAST的控制室內(nèi)，龔先祖準(zhǔn)備開始下一炮等離子體放電實(shí)驗(yàn)。等離子體本身和控制室一墻之隔，被（磁場）限制在一個(gè)真空室中，裝置頂部懸掛著中國國旗。“每一炮實(shí)驗(yàn)都是為了聚變能源的未來。”龔先祖說。

        中國的聚變研發(fā)始于用來自俄羅斯和德國的退役設(shè)備、部件建造的幾臺中小型托卡馬克裝置。2003年，與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國一道，中國加入了ITER計(jì)劃。

        2006年，中國的EAST裝置建成運(yùn)行，此后它創(chuàng)造了等離子體長脈沖運(yùn)行的世界紀(jì)錄，將等離子體維持?jǐn)?shù)分鐘，而不是數(shù)秒。EAST在等離子體長脈沖運(yùn)行方面的能力使它成為ITER實(shí)驗(yàn)研究的主力，特別是用于快速交叉驗(yàn)證結(jié)果，ITER科學(xué)部門負(fù)責(zé)人Alberto Loarte表示，“中國的研究非?；钴S。”

        Loarte提到，他和同事們在EAST上花了一周時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證鎢材料第一壁是否有助于實(shí)現(xiàn)更好的等離子體約束，即使壁上沒有涂覆硼層來阻擋雜質(zhì)?；谶@些實(shí)驗(yàn)，ITER在2023年10月決定將第一壁材料從鈹改為鎢。Loarte說，在許多國家，這樣的工作需要幾個(gè)月的時(shí)間來組織。但在中國，計(jì)劃通常在幾周內(nèi)就能實(shí)施，因?yàn)樵S多研究小組不需要正式的提案或冗長的討論就可以開始工作。

        ITER最初計(jì)劃在2020年開始實(shí)驗(yàn)，但一再延期。今年7月，研究人員宣布其主要實(shí)驗(yàn)將推遲到2039年。法國替代能源和原子能委員會的聚變科學(xué)家Jeronimo Garcia Olaya表示，大多數(shù)ITER項(xiàng)目的參與國都在并行推進(jìn)自己的聚變研發(fā)計(jì)劃，但很少有國家像中國那樣密集投入。“他們正在建設(shè)一個(gè)非常雄心勃勃的項(xiàng)目。”Olaya說，他在日本那珂共同領(lǐng)導(dǎo)JT-60SA的實(shí)驗(yàn)，這目前是世界上最大的在運(yùn)行的托卡馬克。

        在中國的聚變研發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置中，除了EAST，還有位于四川成都核工業(yè)西南物理研究院的環(huán)流器三號托卡馬克，它在2020年建成運(yùn)行。在這些聚變裝置上進(jìn)行的研究將為下一代中國聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）的研發(fā)建設(shè)提供支持，盡管這個(gè)項(xiàng)目尚待政府批準(zhǔn)。中國科學(xué)院等離子體物理研究所一位不愿透露姓名的官員表示，目前還無法給出CFETR的時(shí)間表，但政府將綜合考慮ITER的時(shí)間表并做出決定。CFETR裝置的尺寸將略大于ITER，旨在彌合ITER（一臺純粹的實(shí)驗(yàn)裝置）和一臺聚變示范電站之間的差距。

研究人員在EAST真空室內(nèi)工作。圖片來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所。

        CFETR的初期目標(biāo)是產(chǎn)生100到200兆瓦的凈功率：聚變產(chǎn)生的功率將超過加熱等離子體所消耗的功率，但還不足以覆蓋維持整個(gè)設(shè)施運(yùn)行所消耗的功率。到2040年代，其目標(biāo)是產(chǎn)生比直接輸入等離子體的能量多十倍的聚變能，這是聚變能源可行性驗(yàn)證的一個(gè)里程碑，并將產(chǎn)生高達(dá)1000兆瓦的凈功率。如果這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，通過聚變示范電站向電網(wǎng)供電將成為可能。

        CFETR的工程設(shè)計(jì)報(bào)告在2022年發(fā)布，這使得它的進(jìn)展快于其他多個(gè)聚變示范項(xiàng)目，包括歐盟和日本分別提議的DEMO反應(yīng)堆——預(yù)計(jì)將分別在2029年和2025年開始它們的工程設(shè)計(jì)。 

        中國在聚變研發(fā)方面的優(yōu)勢，并不在于尖端的工程創(chuàng)新，而在于其開發(fā)建造反應(yīng)堆所需的材料、組件和診斷系統(tǒng)方面的速度和專注度，Allain說。 

        為了推進(jìn)CFETR項(xiàng)目，中國科學(xué)院等離子體物理研究所已經(jīng)開始在EAST附近建造一個(gè)占地40公頃（約60個(gè)足球場大小）的龐大園區(qū)。這是一個(gè)名為聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（CRAFT）的巨大建筑群，預(yù)計(jì)將于明年完工，研究人員將在這里開發(fā)和制造CFETR及后續(xù)聚變電站所需的材料、組件和原型機(jī)。

聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施（CRAFT）的航拍照片。圖片來源：Zheng Xianlie/Xinhua via Alamy。

        Whyte表示，在美國，開發(fā)關(guān)鍵聚變技術(shù)的一個(gè)類似設(shè)施被作為優(yōu)先事項(xiàng)談?wù)摿嗽S多年，但由于資金有限和其他問題，這一計(jì)劃未能實(shí)施。“這一直很令人沮喪，”他說。“有積極變化的跡象，但我們失去了領(lǐng)先位置。”

        英國阿賓頓原子能管理局的等離子體物理學(xué)家Hongjuan Sun表示，中國對建設(shè)聚變?nèi)瞬抨?duì)伍的關(guān)注也使該國在人才方面具有優(yōu)勢。“他們真的在培養(yǎng)下一代方面投入了大量努力。”Hongjuan Sun說，她曾在JET項(xiàng)目工作。Allain估計(jì)，中國擁有數(shù)千名聚變領(lǐng)域的博士生，相比之下，美國僅有數(shù)百人。

商業(yè)努力

        盡管中國的項(xiàng)目進(jìn)展迅速，但全球的初創(chuàng)公司在實(shí)現(xiàn)聚變能源商業(yè)化的時(shí)間表方面提出了更為雄心勃勃的目標(biāo)。

        例如，麻省理工學(xué)院（MIT）的衍生公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布，其名為SPARC的托卡馬克將成為全球首個(gè)輸出功率大于輸入功率的聚變裝置。該公司位于美國麻省的德文斯，正在與MIT的研究人員合作，其SPARC裝置據(jù)稱將在2026年底前獲得第一等離子體。這項(xiàng)工作受益于高溫超導(dǎo)材料的進(jìn)步，這使得托卡馬克相比ITER和其他大型裝置尺寸更小、建造速度更快。CFS表示，它將在2030年代早期建成聚變電站并向電網(wǎng)供電。其他創(chuàng)業(yè)公司也對各自的聚變示范電站計(jì)劃持有類似的樂觀估計(jì)。

        CFS正在麻省德文斯建造的緊湊型SPARC托卡馬克的設(shè)計(jì)渲染圖。圖片來源：CFS/MIT-PSFC —— CAD渲染由T. Henderson制作。

        總部位于美國的聚變工業(yè)協(xié)會（FIA）的數(shù)據(jù)顯示，全球有40多家公司正在努力將聚變能源商業(yè)化，它們總共獲得了71億美元的投資。

        中國聚變領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展也日新月異。FIA的首席執(zhí)行官Andrew Holland表示，中國的聚變創(chuàng)業(yè)公司在短短幾年內(nèi)吸引了超過5億美元的投資，這僅次于美國，美國已經(jīng)向聚變公司投入了超過50億美元。“中國聚變領(lǐng)域的商業(yè)化進(jìn)展是顯著的，”他說。

        今年1月，中國政府啟動了一個(gè)名為中國聚變能源有限公司（籌）的聯(lián)盟。由中核集團(tuán)牽頭，匯集了25家國有企業(yè)、4所大學(xué)和1家民營企業(yè)，目標(biāo)是集中資源以加速中國的聚變研發(fā)。

        在投身聚變的工業(yè)巨頭中，有新奧集團(tuán)，這是中國最大的民營能源集團(tuán)之一。根據(jù)FIA的數(shù)據(jù)，該公司已經(jīng)向其聚變能源研發(fā)項(xiàng)目投資了超過2億美元。新奧的路線圖設(shè)想在2035年之前建造一個(gè)“商業(yè)示范”反應(yīng)堆。

        過去三年，中國出現(xiàn)了一些專注于聚變研發(fā)的創(chuàng)業(yè)公司。其中包括2021年成立于上海的能量奇點(diǎn)，這是中國首家專注于聚變能源的公司。和美國的SPARC裝置類似，能量奇點(diǎn)計(jì)劃利用最新的磁體材料來建造尺寸更小、成本更低的托卡馬克。其創(chuàng)始人楊釗表示，迄今為止，公司已經(jīng)吸引了約1.1億美元等值人民幣的投資。今年6月，該公司的洪荒70托卡馬克實(shí)現(xiàn)了首次等離子體放電，（該裝置）采用高溫超導(dǎo)磁體，這在全球尚屬首次，楊釗表示。

中國首家專注聚變能源的公司能量奇點(diǎn)所建造的洪荒70托卡馬克。圖片來源：能量奇點(diǎn)。

        能量奇點(diǎn)正在籌劃下一代裝置洪荒170，其目標(biāo)是產(chǎn)生比加熱等離子體所需熱量多十倍的能量。楊釗和他的美國同行一樣樂觀，他預(yù)計(jì)建造這臺小型托卡馬克僅需三到四年的時(shí)間，而不是通常所需的幾十年。

        聚變領(lǐng)域面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是燃料的可用性。通常認(rèn)為，氘和氚（D-T）同位素混合物是托卡馬克裝置最有效的燃料之一。但氚在自然界中的含量微乎其微，因此需要在聚變裝置中使用聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子與鋰包層相互反應(yīng)來產(chǎn)生。這種“氚增殖”技術(shù)是否切實(shí)可行尚不確定。

        ITER是在這一問題上進(jìn)行探索的主要努力之一。但中國有更快的計(jì)劃，宋云濤所長介紹，在CRAFT園區(qū)旁正在建設(shè)的燃燒等離子體托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置（BEST）也將進(jìn)行氘氚實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而探索氚增殖的可行性。這一裝置預(yù)計(jì)將在2027年建成。

        這些努力都是長期推動研發(fā)被許多人視為解決世界能源問題的關(guān)鍵方案的一部分?；氐紼AST，與商業(yè)公司的樂觀聲明相反，龔先祖將聚變能源競賽視為馬拉松而非短跑沖刺。他面前有數(shù)千炮等離子體實(shí)驗(yàn)。“我們還有很多工作要做。”他說。

原文鏈接：Nature 632, 968-970 (2024)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-02759-x