中国在核聚变领域引领世界的竞赛内幕

Hefei， 中国

二月一个寒冷的早晨，中国科学院等离子体物理研究所 （ASIPP） 白雪皑皑的场地异常安静。中国的新年即将来临，这座城市的大多数人都在为以龙为主题的庆祝活动做准备。但在研究所内部，研究人员仍在努力工作。在一个巨大的控制室里，天花板上点缀着红色霓虹灯下的星星，等离子体物理学家龚显祖正在驯服另一种火热的野兽。

龚的龙是一个聚变研究堆：实验先进超导托卡马克 （EAST）。托卡马克是甜甜圈形状的机器，产生的核反应与为恒星提供动力相同。它们利用磁场将等离子体的加热回路（一种包含离子和电子的流体状物质状态）限制在比太阳核心还热的温度下。目的是迫使原子核聚变，释放能量。如果灼热、不稳定的等离子体能够维持和控制足够长的时间，这可以作为几乎无限的清洁能源来利用——这是一项尚未完成的壮举。

将不守规矩的血浆围起来是一项艰苦的工作。每天，Gong 和他的同事从清晨到午夜左右都会发射大约 100 次血浆。相比之下，位于英国库勒姆的欧洲联合圆环 （JET） 在去年关闭之前是世界上最大的聚变研究设施，每天可以拍摄 20-30 次。“我们几乎没有周末，也没有假期，”EAST 物理和实验运营负责人 Gong 说。

虽然 EAST 只是通往预期核聚变发电厂的垫脚石，但它是使中国在全球核聚变竞赛中名列前茅的设施之一。

世界上最著名的聚变实验是价值 220 亿美元的国际热核聚变实验堆 （ITER），这是一座正在法国南部建造的巨型托卡马克，中国为此做出了贡献。近年来，美国和其他地方雄心勃勃的公司已经筹集了数十亿美元来建造自己的反应堆，他们表示，这将在国家主导的计划之前展示实用的聚变能力。

与此同时，中国正在迅速为其聚变努力注入资源。中国政府目前的五年计划将关键聚变项目的综合研究设施作为该国国家科技基础设施的重中之重。位于华盛顿特区的美国能源部聚变能源科学办公室副主任让·保罗·阿兰（Jean Paul Allain）说，粗略估计，中国现在每年可能在聚变上花费15亿美元，几乎是美国政府今年为这项研究拨款的两倍。“比总价值更重要的是他们做这件事的速度，”Allain 说。

“中国已经从 25 年前的无国大国发展成为拥有世界级能力的国家，”剑桥麻省理工学院 （MIT） 的核科学家丹尼斯·怀特 （Dennis Whyte） 说。

尽管目前还没有人知道聚变发电厂是否可能，但中国科学家制定了雄心勃勃的时间表。在 2030 年代，在 ITER 开始其主要实验之前，该国的目标是建造中国聚变工程试验堆 （CFETR），目标是产生高达 1 吉瓦的聚变能。根据 2022 年的路线图，如果中国的计划成功，原型聚变发电厂可能会在未来几十年内建成（J. Zheng 等人。创新 3,100269;2022 年）。

“中国正在采取战略性方法投资和发展其聚变能计划，以期在全球领域取得长期领导地位，”伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的等离子体物理学家亚斯明·安德鲁（Yasmin Andrew）说。

建造人造太阳

自 1950 年代以来，科学家们一直在努力使聚变反应堆工作。这个想法是将两个氢原子核（它们带正电，因此相互排斥）合并成一个更大的氦原子核。在太阳中，引力产生足够的压力来做到这一点;在地球上，高温和强磁场是必要的。然而，到目前为止，研究人员还无法使聚变反应运行足够长的时间，以产生比激发它们所需的更多的能量。

2022 年底，位于加利福尼亚州利弗莫尔的美国国家点火设施 （NIF） 的研究人员宣布了一项突破，他们短暂回收的聚变能多于投入目标的聚变能。NIF 使用托卡马克的替代设计，向氢同位素氘和氚的微小颗粒发射 192 束激光，使它们聚变。然而，用于作激光器的能量比输送到目标的能量要多得多。许多研究人员表示，最实用的聚变能方法是使用托卡马克来限制长寿命的“燃烧等离子体”，其中聚变反应提供维持它所需的热量。ITER 的目标之一是创造一种燃烧的等离子体，其发电量是其发电量的十倍。

如果科学家们能够做到这一点，聚变就可以提供一种更安全、更清洁的替代方案，而不是传统的核裂变发电厂，传统的核裂变发电厂会分裂沉重的铀核，产生放射性废物，这些废物可能在数千年内仍然很危险。聚变反应堆只会产生短寿命的废物。另一个安全功能是，如果等离子体低于一定温度或密度，聚变反应就会停止。而且预计这个过程比裂变更有效;国际原子能机构表示，聚变每公斤燃料产生的能量是裂变的四倍。

这对中国来说是一个特别诱人的前景，在 2020 年至 2022 年期间，由于寒冷冬季电力需求飙升，多个地区经历了大规模停电。尽管可再生能源发展迅速，但该国仍有一半以上的电力来自煤炭，并且仍然是全球碳排放的最大贡献者。尽管中国的目标是到 2030 年实现碳达峰，到 2060 年实现碳中和，但其能源需求将在未来三十年翻一番。“我们需要减少碳排放的创新——这是我们的梦想。核聚变能可以做到这一点，“ASIPP 总干事、等离子体物理学家 Yuntao Song 说。

中国的愿景

在 EAST 的控制室里，龚准备用鼠标点击一下来发射另一个等离子脉冲。等离子体本身位于控制室的监视器墙后面，被限制在一个真空室中，真空室的屋顶上挂着中国国旗。“每一次射击都可能支持聚变能的未来，”龚说。

中国参与聚变始于使用来自俄罗斯和德国设备的组件建造了几枚中小型托卡马克。2003 年，它与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国一起加入了国际 ITER 实验。

2006 年，中国开设了 EAST，此后，它创造了维持等离子体持续数分钟而不是数秒的世界纪录。ITER 科学部门负责人 Alberto Loarte 说，EAST 创造长寿命等离子体的诀窍使其成为 ITER 的实验主力，特别是在快速交叉检查结果方面。“中国的研究非常活跃，”他说。

Loarte 引用了今年 1 月他和他的同事如何在 EAST 花了一周时间进行实验，以验证在反应器面向等离子体的壁上衬钨可以获得紧密限制的等离子体，即使壁上也没有涂有硼层以防止杂质进入。（这些发现将有助于 ITER，研究人员在 2023 年 10 月决定将墙衬换成钨而不是铍。Loarte 说，在许多国家，这样的工作需要几个月的时间才能组织起来。但在中国，计划通常在几周内完成，因为许多研究小组不需要正式的提案或长时间的讨论即可开始工作。

ITER 最初计划在 2020 年开始实验，但一直受到延误的困扰。7 月，研究人员宣布将其主要实验推迟到 2039 年。大多数 ITER 国家都在同时发展其国内聚变能力，但很少有国家像中国那样密集地发展，巴黎法国替代能源和原子能委员会的聚变科学家 Jeronimo Garcia Olaya 说。“他们正在制定一个非常雄心勃勃的计划，”Olaya 说，他在日本中市的 JT-60SA 联合领导实验，目前世界上最大的托卡马克在运行。

除了 EAST 之外，中国的其他研究聚变反应堆还包括其 HL-3 托卡马克，该托卡马克于 2020 年在成都西南物理研究所开放。中国设施的实验将纳入下一代 CFETR，尽管建设仍需要政府的批准。ASIPP 的一位不愿透露姓名的官员无法给出时间表，但表示政府正在将 ITER 的时间表纳入其决定。CFETR 将比 ITER 略大，旨在弥合 ITER（一种纯粹的实验设备）与发电示范工厂之间的差距。

CFETR 最初的目标是产生 100 至 200 兆瓦的净功率：产生的电力超过加热等离子体的电力，但不足以满足设施运营所需的电力需求。到 2040 年代，它的目标是提供比直接进入等离子体的热量多十倍以上的热量，这是可行聚变的里程碑，并产生高达 1 吉瓦的净功率。如果能够实现，示范发电厂将生产电网电力。

CFETR 于 2022 年发布的工程设计报告将该设施置于几个示范发电厂之前，包括欧盟和日本拟议的 DEMO 反应堆——预计将分别于 2029 年和 2025 年开始其工程设计。

Allain 说，中国在聚变研究方面的优势不在于出色的工程创新，而在于其速度和专注于开发建造反应堆所需的材料、组件和诊断系统。

为了开发 CFETR，ASIPP 已开始建造一个占地 40 公顷的庞大车间（约 60 个足球场大小），距离 EAST 仅一小段车程。聚变技术综合研究设施 （CRAFT） 计划于明年完工，是一个大型中心，研究人员将在这里开发和制造 CFETR 和后续聚变发电厂的材料、组件和原型。

怀特说，在美国，开发关键聚变技术的类似设施多年来一直被标记为优先事项，但由于资金有限和其他问题，计划未能实现。“这很令人沮丧，”他说。“有积极的变化迹象，但我们失去了领先优势。”

位于阿宾登的英国原子能管理局（UK Atomic Energy Authority）的等离子体物理学家孙宏娟（Hongjuan Sun）说，中国对建立聚变劳动力的关注也使该国在人员方面具有优势。“他们真的在培训下一代方面付出了很多努力，”从事 JET 工作的 Sun 说。Allain 估计，中国有数千名博士生正在聚变，而美国只有数百名。

商业努力

尽管中国的计划正在迅速推进，但世界各地的初创公司对聚变能商业化的速度提出了更大胆的主张。

例如，从麻省理工学院分拆出来的联邦聚变系统公司 （CFS） 承诺，其名为 SPARC 的托卡马克将成为第一个产生比等离子体消耗的热量更多的聚变能的设备。这家总部位于马萨诸塞州德文斯并与麻省理工学院研究人员合作的公司表示，SPARC 将在 2026 年底前生产出第一批等离子体。这项工作依赖于高温超导材料的进步，这应该使托卡马克比 ITER 和其他巨型设施更小、建造速度更快。CFS 表示，到 2030 年代初，它将有发电厂为电网供电。其他公司也对试点聚变厂的各种设计发表了类似的乐观声明。

总部位于美国的聚变产业协会 （FIA） 表示，全球有 40 多家公司正在努力实现聚变的商业化，总共获得了 71 亿美元的投资。

但中国的工业努力也在蓬勃发展。国际汽联（FIA）首席执行官安德鲁·霍兰德（Andrew Holland）说，该国的核聚变初创企业在短短几年内就吸引了超过5亿美元的投资。这使中国仅次于美国，后者向聚变公司投入了超过 50 亿美元。“中国的私人聚变努力意义重大，”他说。

今年 1 月，中国政府成立了一个名为 China Fusion Energy 的全国性财团。该演习由中国核工业集团公司牵头，汇集了 25 家国有企业、4 所大学和 1 家私营公司，旨在汇集资源以加速中国的核聚变努力。

聚变研究领域的工业巨头包括中国最大的私营能源集团之一新奥集团。据国际汽联称，该公司已为其聚变能计划投资超过 2 亿美元。新奥能源路线图设想到 2035 年建造一个“商业示范”反应堆。

过去三年里，中国涌现了几家专门的聚变公司。其中包括 Energy Singularity，这是一家成立于 2021 年的上海初创公司，也是中国第一家专门的聚变发电公司。与 SPARC 非常相似，Energy Singularity 旨在通过利用最新的磁体材料来制造更小、更便宜的托卡马克;到目前为止，它已经吸引了大约 1.1 亿美元的资金，联合创始人赵阳说。Yang 说，今年 6 月，该公司的 HH70 托卡马克实现了首次等离子体并使用高温超导磁体，这是世界首创。

Energy Singularity 正在计划推出下一代设备 HH170，其目标是产生的能量是等离子体燃料所需热量的十倍。与美国公司一样乐观，Yang 估计小型托卡马克只需要三到四年即可建造，而不是几十年。

聚变中的一个大问题围绕着燃料的可用性。对于托卡马克来说，氘和氚 （D-T） 同位素的混合物被认为是最有效的燃料之一。但氚在自然界中以微小的痕迹存在，因此需要在聚变设施中通过聚变反应过程中产生的中子与托卡马克壁中的锂层之间的反应来生产。目前尚不清楚这种“氚繁殖”是否真的有效。

ITER 是探索这个问题的最大研究工作之一。但中国的计划要更快：ASIPP 主任 Song 说，其在 CRAFT 旁边建造的燃烧等离子体实验托卡马克 （BEST） 将于 2027 年完工，也将进行 D-T 实验并探索是否可以培育氚。

这都是长期推动开发许多人认为是解决世界能源问题的关键解决方案的一部分。回到东隅，与私营企业的乐观主张相反，龚先生认为聚变能的竞赛更像是一场马拉松，而不是短跑。他还有数千次血浆注射。“我们还有很多工作要做，”他说。

自然 632， 968-970 （2024）

doi： https://doi.org/10.1038/d41586-024-02759-x