Nature：中国在核聚变领域争当世界领军者

中国科学院合肥等离子体物理研究所 (ASIPP) 的 EAST 聚变研究托卡马克。图片来源：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所

在中国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)的院子里覆盖着白雪，显得异常宁静。随着中国新年的临近，这座城市的居民都在忙碌地准备着以龙为主题的庆祝活动。然而，在研究所内，研究人员们依然坚守岗位，辛勤工作。在一间装饰着红色霓虹灯的宽敞控制室内，等离子体物理学家龚先祖正在努力控制一种不同寻常的"火龙"——实验先进超导托卡马克(EAST)。

EAST 是一种核聚变研究反应堆，属于托卡马克类型的设备，它能够产生与恒星相同的核聚变反应。这种设备利用磁场来控制高温等离子体，其设计和工作原理都是基于托卡马克的概念，这是一种用于实现核聚变能量的环形装置。通过这种方式，EAST 能够将加热至高温的等离子体(一种包含离子和电子的流体状态物质)限制在一个环形的空间内，其温度甚至超过了太阳核心。研究的最终目标是通过原子核的聚变来释放能量，如果能够成功地长时间维持和控制这种高温且不稳定的等离子体，那么它将成为一种几乎无限的清洁能源来源——尽管这一目标至今尚未实现。

控制这种难以驾驭的等离子体是一项极具挑战性的任务。龚先祖和他的团队每天从清晨工作到午夜，进行大约100次的等离子体发射实验。这一工作量远远超过了位于英国卡勒姆的欧洲联合环面(JET)，后者在关闭前每天仅能进行20到30次等离子体发射。JET 曾是世界上最大的核聚变研究设施。龚先祖，作为 EAST 物理和实验操作的负责人，表示：“对我们来说，几乎没有周末和假期。”

龚先祖(右)与 ASIPP 所长宋云涛。图片来源：Huang Bohan/IMAGO via Alamy

尽管EAST只是预期中的核聚变发电厂的垫脚石，但它却是让中国在全球核聚变竞赛中占有一席之地的设施之一。

世界上最著名的核聚变实验是耗资220亿美元的国际热核聚变实验反应堆(ITER)，这是一座正在法国南部建造的巨型托卡马克装置，中国参与了其中。近年来，美国等地的雄心勃勃的公司已筹集了数十亿美元建造自己的反应堆，并表示这些反应堆将在国家主导的项目之前展示实用的核聚变能力。

与此同时，中国正迅速投入资源用于核聚变研究。中国政府的当前五年计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的首要任务。美国能源部聚变能源科学办公室副主任Jean Paul Allain表示，粗略估计，中国现在每年在核聚变方面的投入可能达到15亿美元，几乎是美国政府今年为这项研究拨款的两倍。Allain说：“比总价值更重要的是他们做这件事的速度。”

麻省理工学院(MIT)的核科学家Dennis Whyte表示：“中国已经从25年前的非参与者发展成为拥有世界一流能力的国家。”

尽管目前尚无人知道核聚变发电厂是否可行，但中国科学家制定了雄心勃勃的时间表。在2030年代，在ITER开始主要实验之前，中国计划建造中国聚变工程试验反应堆(CFETR)，目标是生产高达1千兆瓦的核聚变电能。根据2022年路线图，如果中国的计划成功，原型核聚变发电厂将在未来几十年内建成。

伦敦帝国理工学院的等离子体物理学家Yasmin Andrew表示：“中国正采取战略方针来投资和发展其核聚变能源计划，以期在全球领域占据长期领导地位。”

建造人造太阳自20世纪50年代以来，科学家一直在尝试制造核聚变反应堆。其想法是将两个氢原子核(带正电，因此相互排斥)合并成一个更大的氦原子核。在太阳上，重力会产生足够的压力来实现这一点;在地球上，需要高温和强磁场。然而，到目前为止，研究人员还无法让核聚变反应持续足够长的时间，以产生比激发核聚变反应所需的能量更多的能量。

2022年底，位于加利福尼亚州利弗莫尔的美国国家点火装置(NIF)的研究人员宣布了一项突破，他们短暂地回收了比投入燃料更多的聚变能量。NIF使用托卡马克的替代设计，向氢同位素氘和氚的小颗粒发射了192束激光，使它们聚变。然而，操作激光所消耗的能量远远超过传送到目标的能量。许多研究人员表示，最实用的聚变能方法将需要使用托卡马克来限制长寿命的“燃烧等离子体”，其中的聚变反应提供维持它所需的热量。ITER的目标之一是制造一个燃烧等离子体，其能量是投入的十倍，这被视为可行聚变工厂的一般先决条件。

法国正在建造的巨型 ITER 核聚变反应堆。图片来源：Nicolas Tucat/AFP via Getty

如果科学家能够实现这一点，核聚变将提供一种比传统核裂变发电厂更安全、更清洁的替代方案。传统核裂变发电厂通过分裂重铀核产生放射性废物，这些废物的危险性会持续数千年。相比之下，核聚变反应堆只会产生短暂的废物。核聚变的一个额外安全特性是，如果等离子体的温度或密度低于某个阈值，核聚变反应就会自动停止。此外，核聚变过程预计比核裂变更有效率;国际原子能机构表示，每公斤燃料，核聚变产生的能量是核裂变的四倍。

对于中国来说，这是一个特别诱人的前景。在2020年至2022年间，由于严寒冬季电力需求激增，中国多个地区经历了大规模停电。尽管可再生能源发展迅速，但中国仍有超过一半的电力来自煤炭，并且是全球最大的碳排放国。尽管中国计划在2030年达到排放峰值，在2060年实现碳中和，但其能源需求在未来30年内预计将翻一番。“我们需要减少碳排放的创新——这是我们的梦想。核聚变能可以实现这一点，”中国科学院等离子体物理研究所所长、等离子体物理学家宋云涛说。

中国的愿景在EAST控制室里，龚先祖准备通过点击鼠标发射另一束等离子体。等离子体本身位于控制室的监视器墙后面，被封闭在一个真空室内，其顶部挂着中国国旗。“每一次发射都可能为核聚变能源的未来提供支持，”龚先祖说。

中国参与核聚变研究始于使用俄罗斯和德国设备的部件建造几个中小型托卡马克装置。2003年，中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国一起加入了国际ITER实验。2006年，中国启动了EAST实验，此后创下了维持等离子体数分钟的世界纪录，代替了之前的数秒。EAST在创造长寿命等离子体方面的专长使其成为ITER实验的主力，特别是在快速交叉核对结果方面。ITER科学部门负责人Alberto Loarte表示，“中国的研究非常活跃。”

Loarte提到，今年1月，他和同事们在EAST花了一周时间进行实验，验证了即使不使用硼层阻挡杂质，用钨衬里反应堆面向等离子体的壁也能实现紧密约束的等离子体。这些发现将有助于ITER，因为在2023年10月，研究人员决定将壁衬从铍改为钨。在许多国家，这样的努力可能需要数月才能组织起来，但在中国，计划通常在几周内就能制定出来，因为许多研究小组不需要正式提案或长时间的讨论就可以开始工作。

ITER最初计划在2020年开始实验，但一直受到拖延的困扰。今年7月，研究人员宣布将主要实验推迟到2039年。法国巴黎替代能源和原子能委员会的核聚变科学家Jeronimo Garcia Olaya表示，大多数ITER国家都在同时发展国内核聚变能力，但很少有国家像中国这样密集地发展核聚变。“他们正在制定一个非常雄心勃勃的计划，”Olaya说，他是日本那珂JT-60SA实验的联合负责人，该装置是目前世界上最大的在运托卡马克装置。

除了EAST，中国其他研究用聚变反应堆还包括环流三号(HL-3)托卡马克，该装置于2020年在成都西南物理研究院投入使用。中国设施中的实验将为下一代CFETR提供数据，尽管建设仍需政府批准。一位不愿透露姓名的ASIPP官员无法透露具体时间表，但表示政府正在将ITER的时间表纳入决策之中。CFETR的规模将略大于ITER，旨在弥补ITER(纯实验装置)与发电示范工厂之间的差距。

EAST 真空室内的一名研究人员。图片来源：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所

CFETR的初步目标是产生100到200兆瓦的净功率：这比加热等离子体所需的功率要大，但还不足以覆盖设施运行所需的电力。到了2040年代，CFETR的目标是实现一个重要的聚变里程碑——提供的热量超过直接输入等离子体的十倍以上，并产生高达1吉瓦的净功率。如果能够达到这一目标，示范电厂将能够为电网提供电力。

CFETR的工程设计报告在2022年发布，该设施的定位领先于几个示范核电站，包括欧盟和日本提议的DEMO反应堆，这些反应堆预计将分别在2029年和2025年开始工程设计。

中国在核聚变研究方面的优势，据Allain所说，并不在于卓越的工程创新，而在于其在开发建造反应堆所需的材料、部件和诊断系统方面的速度和专注度。

为了开发CFETR，中国科学院等离子体物理研究所(ASIPP)已经开始建造一个占地40公顷(约60个足球场大小)的大型车间，位于EAST附近。计划于明年完工的聚变技术综合研究设施(CRAFT)将是一个巨大的研究中心，研究人员将在这里开发和制造CFETR及未来核聚变电厂所需的材料、部件和原型。

中国合肥核聚变技术综合研究中心(CRAFT)的航拍照片。图片来源：郑先烈/新华社 Alamy

在美国，开发关键核聚变技术的类似设施多年来一直被视为优先事项，但受限于资金不足和其他问题，相关计划未能实现，怀特表示。他说：“这令人感到沮丧。虽然有迹象显示情况正在发生积极的改变，但我们已失去了领先位置。”

等离子体物理学家孙红娟(她是英国原子能管理局(UK Atomic Energy Authority)的等离子体物理学家，曾在 Joint European Torus (JET) 项目上工作。)指出，中国在构建核聚变劳动力队伍方面的专注也为其在人才储备上提供了优势。她提到：“中国在培养下一代方面真的投入了大量的精力。”Allain估计，中国的核聚变领域拥有数以千计的博士生，相比之下，美国仅有几百名。

尽管中国的核聚变计划正在迅速推进，但全球的初创公司在实现核聚变能源商业化的速度上提出了更加雄心勃勃的声明。

例如，麻省理工学院的衍生公司Commonwealth Fusion Systems (CFS)承诺，其托卡马克装置SPARC将是世界上首个产生的能量超过等离子体消耗热量的聚变反应堆。CFS位于马萨诸塞州的德文斯，与麻省理工学院的研究人员合作，他们表示SPARC将在2026年底前产生其第一束等离子体。这一进展依赖于高温超导材料的技术突破，这将使得托卡马克装置的体积远小于ITER和其他大型设施，并且建造速度更快。CFS表示，它计划在2030年代初实现为电网供电的工厂。与此同时，其他公司也对各自试点聚变工厂的设计发表了类似的乐观预期。

马萨诸塞州德文斯正在建造的紧凑型 SPARC 托卡马克的设计效果图。图片来源：CFS/MIT-PSFC——T. Henderson 的 CAD 渲染图

全球有超过40家公司正致力于将核聚变商业化，总共获得了美国核聚变工业协会(FIA)所说的71亿美元投资。

中国的工业努力也在迅速发展。FIA的首席执行官Andrew Holland表示，中国的核聚变初创企业在短短几年内吸引了超过5亿美元的投资，仅次于已向核聚变公司投入超过50亿美元的美国。“中国私营核聚变的努力具有重大意义，”Holland说。

今年1月，中国政府成立了一个名为“中国聚变能源”的国家联盟。由中核集团牵头，汇集了25家国有企业、四所大学和一家私营公司，目标是集中资源以加速中国的核聚变研究与发展。

新奥集团(ENN)是核聚变研究领域的主要参与者之一，也是中国最大的民营能源集团之一。据FIA称，ENN已在其核聚变能源项目上投资超过2亿美元，并计划在2035年之前建造一个“商业示范”反应堆。

在中国，过去三年中出现了几家专注于核聚变的公司。其中包括2021年成立的上海初创公司能量奇点(Energy Singularity)，这是中国首家专注于核聚变发电的公司。能量奇点计划利用最新的磁体材料建造更小、成本更低的托卡马克，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。2024年6月，该公司的HH70托卡马克实现了首次等离子体放电，并使用了高温超导磁体，据杨钊称，这在全球尚属首次。

中国首家专注于聚变能研究的公司 Energy Singularity 生产的 HH-70 托卡马克装置。图片来源：Energy Singularity

能量奇点(Energy Singularity)计划开发下一代设备HH170，目标是产生的能量比为等离子体提供燃料所需的热量高出十倍。联合创始人杨钊与美国公司一样乐观地预测，建造这个小型托卡马克装置仅需三到四年时间，而不是通常所需的几十年。

核聚变面临的一个主要问题是燃料的可用性。托卡马克装置通常使用氘和氚(D-T)同位素混合物作为最有效的燃料之一。然而，氚在自然界中极为稀有，需要在核聚变设施内通过聚变反应产生的中子与托卡马克壁中的锂层发生反应来生产。目前，这种“氚增殖”技术是否切实可行尚不明确。

国际热核聚变实验反应堆(ITER)是探索这一问题的主要研究项目之一。但中国有更迅速的计划：中国科学院等离子体物理研究所所长宋云涛提到，中国在CRAFT旁边建造的燃烧等离子体实验托卡马克(BEST)，预计于2027年完工，也将进行D-T实验，探索氚的培育可能性。

所有这些努力都是长期推动的一部分，旨在开发许多人认为的关键解决方案，以应对全球能源问题。在EAST，与私营公司的乐观声明相比，龚先祖认为核聚变能源的发展更像是一场马拉松而非短跑。他面前还有数千次等离子体发射任务。“我们还有很多工作要做，”他说。