2024年8月28日，《自然》（Nature）刊发了一篇题为《Inside China’s race to lead the world in nuclear fusion》的新闻，深入报道了我国在可控核聚变领域取得的成就和未来的发展前景。
文章介绍了能量奇点的工作进展，包括已建成运行的洪荒70高温超导托卡马克装置以及设计中的洪荒170装置。
我们在8月29日转发了该文的英文原文，然后花了一点时间（在AI的协助下）把原文翻译为中文，以方便读者。 水平所限，如译文有任何不准确之处，请以原文为准。
中国 合肥
在一个寒冷早春的清晨，中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）的地面被积雪覆盖，异常宁静。春节将至，城市里的大多数人都在准备着以龙为主题的各种庆祝活动。但在研究所内，科学家们仍在辛勤工作。在一个巨大的控制室内，天花板上点缀着红色霓虹灯星星，等离子体物理学家龚先祖正在驯服一头不同寻常的“龙”。
龚先祖的“龙”是一座可控核聚变实验装置：先进实验超导托卡马克（EAST）。托卡马克是一种环形机器，其内部能够进行与恒星相同的核聚变反应。它们利用磁场来控制高温等离子体——一种含有离子和电子的磁流体状物质——其温度比太阳核心的温度还要高。目标是迫使原子核融合，发生聚变反应，进而释放能量。如果能够维持和控制这种炽热、不稳定的等离子体足够长的时间，这种能量就可以作为几乎无限的清洁能源的来源——这还是一个人类尚未完成的壮举。
驯服难以驾驭的等离子体是一项艰巨的任务。每天，龚先祖和他的同事们从清晨到午夜会进行大约100次等离子体放电实验。相比之下，于去年关闭的原世界上最大聚变研究设施——位于英国的欧洲联合环（JET），每天只能进行20到30次放电。“我们几乎没有周末，没有假期。”龚先祖说，他是EAST物理和实验操作的负责人。
尽管EAST只是建设未来的聚变发电厂的其中一步，它是使得中国在全球核聚变竞赛中崭露头角的设施之一。
全球最著名的聚变实验装置是已耗资220亿美元的国际热核聚变实验堆（ITER），这是一个正在法国南部建造的巨型托卡马克，中国也为其做出了贡献。近年来，美国和其他国家的商业公司已经筹集了数十亿美元来建造他们自己的聚变装置，他们声称，这些装置将先于政府主导的项目展示聚变发电的能力。
与此同时，中国正在迅速将资源投入到聚变研发当中。中国政府在当前的五年计划里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大优先项目。据美国能源部聚变能源科学办公室副主任Jean Paul Allain估计，中国目前每年在聚变研发上的投入可能高达15亿美元——这几乎是美国政府今年投入聚变研发资金的两倍。“比投资总额更重要的是他们进展的速度。”Allain说。
“25年前，中国在可控核聚变领域还乏善可陈，而现在，中国已经拥有世界级的聚变研发能力。”麻省理工学院（MIT）的核科学家Dennis Whyte说。
尽管目前还没有人知道聚变电站究竟是否可行，但中国科学家们已经制定了雄心勃勃的时间表。到2030年代，即ITER投入运行之前，中国计划建造中国聚变工程试验堆（CFETR），目标是产生高达1000兆瓦的聚变功率。如果这一计划得以实现，根据一份发表于2022年的路线图（J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022），用于聚变发电的示范电站有望在未来几十年内成为现实。
“中国正在战略性地投资和发展聚变能源项目，其目标是在该领域取得长期领导地位。”伦敦帝国理工学院的等离子体物理学家Yasmin Andrew说。
建造人造太阳
自20世纪50年代以来，科学家们一直在尝试建造聚变反应堆。其原理是将两个带有正电荷并相互排斥的氢原子核融合成一个更大的氦原子核（这个过程将损失质量，释放能量）。在太阳中，巨大的重力会产生足够的压力来迫使原子核相互融合；而在地球上，这需要高温和强磁场来实现。然而，到目前为止，科学家们还无法让聚变反应持续足够长的时间，以产生出比激发反应所需能量更多的能量。
2022年底，位于美国加州利弗莫尔的美国国家点火装置（NIF）取得了突破，科学家们短暂地从聚变反应中产生出了比输入能量更多的聚变能量。NIF的工作原理与托卡马克不同，它通过向含有氢同位素氘和氚的小靶核发射192束激光，促使聚变反应发生。然而，为产生这些激光所消耗的电能远大于激光输入靶核的能量。许多研究人员认为，实现聚变能源最可行的方法是使用托卡马克来控制一个长脉冲的“燃烧等离子体”，在这种等离子体中，聚变反应本身将能够提供维持它所需要的能量。ITER的目标之一，就是创造一个输出功率是输入功率十倍的燃烧等离子体，这被认为是建设聚变电站的先决条件。
如果科学家能够做到这一点，核聚变将提供一个比传统的核裂变电站更安全、更清洁的替代方案。传统的核裂变电站通过分裂重铀原子核产生放射性废物，这些废物的放射性将持续数千年。与之相比，聚变只会产生半衰期极短的废物。另外，当等离子体的温度或密度降到反应阈值以下，聚变反应就会自行停止。而且，聚变反应比裂变更高效；根据国际原子能机构的数据，每公斤聚变燃料产生的能量是裂变的四倍。
对中国而言，聚变能源的前景尤其具有吸引力。在2020年到2022年之间，由于冬季寒冷天气导致的电力需求激增，中国有几个地区经历了大规模的停电。尽管可再生能源在中国发展迅速，但目前仍有超过一半的电力来自燃煤，并且仍是全球最大的碳排放国。中国的目标是在2030年实现碳达峰，并在2060年实现碳中和，但在未来三十年内，其能源需求预计将翻一番。“我们需要创新的技术来减少碳排放，核聚变能源可以做到这一点——这是我们的梦想。”等离子体物理学家、等离子体物理研究所所长宋云涛说。
中国愿景
在EAST的控制室内，龚先祖准备开始下一炮等离子体放电实验。等离子体本身和控制室一墙之隔，被（磁场）限制在一个真空室中，装置顶部悬挂着中国国旗。“每一炮实验都是为了聚变能源的未来。”龚先祖说。
中国的聚变研发始于用来自俄罗斯和德国的退役设备、部件建造的几台中小型托卡马克装置。2003年，与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国一道，中国加入了ITER计划。
2006年，中国的EAST装置建成运行，此后它创造了等离子体长脉冲运行的世界纪录，将等离子体维持数分钟，而不是数秒。EAST在等离子体长脉冲运行方面的能力使它成为ITER实验研究的主力，特别是用于快速交叉验证结果，ITER科学部门负责人Alberto Loarte表示，“中国的研究非常活跃。”
Loarte提到，他和同事们在EAST上花了一周时间进行实验，以验证钨材料第一壁是否有助于实现更好的等离子体约束，即使壁上没有涂覆硼层来阻挡杂质。基于这些实验，ITER在2023年10月决定将第一壁材料从铍改为钨。Loarte说，在许多国家，这样的工作需要几个月的时间来组织。但在中国，计划通常在几周内就能实施，因为许多研究小组不需要正式的提案或冗长的讨论就可以开始工作。
ITER最初计划在2020年开始实验，但一再延期。今年7月，研究人员宣布其主要实验将推迟到2039年。法国替代能源和原子能委员会的聚变科学家Jeronimo Garcia Olaya表示，大多数ITER项目的参与国都在并行推进自己的聚变研发计划，但很少有国家像中国那样密集投入。“他们正在建设一个非常雄心勃勃的项目。”Olaya说，他在日本那珂共同领导JT-60SA的实验，这目前是世界上最大的在运行的托卡马克。
在中国的聚变研发实验装置中，除了EAST，还有位于四川成都核工业西南物理研究院的环流器三号托卡马克，它在2020年建成运行。在这些聚变装置上进行的研究将为下一代中国聚变工程试验堆（CFETR）的研发建设提供支持，尽管这个项目尚待政府批准。中国科学院等离子体物理研究所一位不愿透露姓名的官员表示，目前还无法给出CFETR的时间表，但政府将综合考虑ITER的时间表并做出决定。CFETR装置的尺寸将略大于ITER，旨在弥合ITER（一台纯粹的实验装置）和一台聚变示范电站之间的差距。
CFETR的初期目标是产生100到200兆瓦的净功率：聚变产生的功率将超过加热等离子体所消耗的功率，但还不足以覆盖维持整个设施运行所消耗的功率。到2040年代，其目标是产生比直接输入等离子体的能量多十倍的聚变能，这是聚变能源可行性验证的一个里程碑，并将产生高达1000兆瓦的净功率。如果这一目标得以实现，通过聚变示范电站向电网供电将成为可能。
CFETR的工程设计报告在2022年发布，这使得它的进展快于其他多个聚变示范项目，包括欧盟和日本分别提议的DEMO反应堆——预计将分别在2029年和2025年开始它们的工程设计。 中国在聚变研发方面的优势，并不在于尖端的工程创新，而在于其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度，Allain说。 为了推进CFETR项目，中国科学院等离子体物理研究所已经开始在EAST附近建造一个占地40公顷（约60个足球场大小）的庞大园区。这是一个名为聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的巨大建筑群，预计将于明年完工，研究人员将在这里开发和制造CFETR及后续聚变电站所需的材料、组件和原型机。
Whyte表示，在美国，开发关键聚变技术的一个类似设施被作为优先事项谈论了许多年，但由于资金有限和其他问题，这一计划未能实施。“这一直很令人沮丧，”他说。“有积极变化的迹象，但我们失去了领先位置。”
英国阿宾顿原子能管理局的等离子体物理学家Hongjuan Sun表示，中国对建设聚变人才队伍的关注也使该国在人才方面具有优势。“他们真的在培养下一代方面投入了大量努力。”Hongjuan Sun说，她曾在JET项目工作。Allain估计，中国拥有数千名聚变领域的博士生，相比之下，美国仅有数百人。
商业努力
尽管中国的项目进展迅速，但全球的初创公司在实现聚变能源商业化的时间表方面提出了更为雄心勃勃的目标。
例如，麻省理工学院（MIT）的衍生公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）宣布，其名为SPARC的托卡马克将成为全球首个输出功率大于输入功率的聚变装置。该公司位于美国麻省的德文斯，正在与MIT的研究人员合作，其SPARC装置据称将在2026年底前获得第一等离子体。这项工作受益于高温超导材料的进步，这使得托卡马克相比ITER和其他大型装置尺寸更小、建造速度更快。CFS表示，它将在2030年代早期建成聚变电站并向电网供电。其他创业公司也对各自的聚变示范电站计划持有类似的乐观估计。
总部位于美国的聚变工业协会（FIA）的数据显示，全球有40多家公司正在努力将聚变能源商业化，它们总共获得了71亿美元的投资。中国聚变领域的产业化进展也日新月异。FIA的首席执行官Andrew Holland表示，中国的聚变创业公司在短短几年内吸引了超过5亿美元的投资，这仅次于美国，美国已经向聚变公司投入了超过50亿美元。“中国聚变领域的商业化进展是显著的，”他说。今年1月，中国政府启动了一个名为中国聚变能源有限公司（筹）的联盟。由中核集团牵头，汇集了25家国有企业、4所大学和1家民营企业，目标是集中资源以加速中国的聚变研发。在投身聚变的工业巨头中，有新奥集团，这是中国最大的民营能源集团之一。根据FIA的数据，该公司已经向其聚变能源研发项目投资了超过2亿美元。新奥的路线图设想在2035年之前建造一个“商业示范”反应堆。过去三年，中国出现了一些专注于聚变研发的创业公司。其中包括2021年成立于上海的能量奇点，这是中国首家专注于聚变能源的公司。和美国的SPARC装置类似，能量奇点计划利用最新的磁体材料来建造尺寸更小、成本更低的托卡马克。其创始人杨钊表示，迄今为止，公司已经吸引了约1.1亿美元等值人民币的投资。今年6月，该公司的洪荒70托卡马克实现了首次等离子体放电，（该装置）采用高温超导磁体，这在全球尚属首次，杨钊表示。
能量奇点正在筹划下一代装置洪荒170，其目标是产生比加热等离子体所需热量多十倍的能量。杨钊和他的美国同行一样乐观，他预计建造这台小型托卡马克仅需三到四年的时间，而不是通常所需的几十年。
聚变领域面临的一个主要挑战是燃料的可用性。通常认为，氘和氚（D-T）同位素混合物是托卡马克装置最有效的燃料之一。但氚在自然界中的含量微乎其微，因此需要在聚变装置中使用聚变反应产生的中子与锂包层相互反应来产生。这种“氚增殖”技术是否切实可行尚不确定。ITER是在这一问题上进行探索的主要努力之一。但中国有更快的计划，宋云涛所长介绍，在CRAFT园区旁正在建设的燃烧等离子体托卡马克实验装置（BEST）也将进行氘氚实验，进而探索氚增殖的可行性。这一装置预计将在2027年建成。这些努力都是长期推动研发被许多人视为解决世界能源问题的关键方案的一部分。回到EAST，与商业公司的乐观声明相反，龚先祖将聚变能源竞赛视为马拉松而非短跑冲刺。他面前有数千炮等离子体实验。“我们还有很多工作要做。”他说。
原文链接：
Nature 632, 968-970 (2024)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-02759-x