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【文/杰瑪·康羅伊，翻譯/陳佳芮，校對/郭涵】

今年二月一個寒冷的清晨，位于合肥的中國科學院等離子體物理研究所（ASIPP）被白雪覆蓋的院子異常安靜。春節即將來臨，城里的大多數人都忙著準備慶祝龍年。然而，研究所里的科研人員依舊埋頭苦干。在一間巨大的、天花板上點綴著星形紅色霓虹的控制室里，等離子體物理學家龔先祖正在馴服一頭與眾不同的“火龍”。

這頭“火龍”是一個核聚變反應試驗裝置，即全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。這個托卡馬克裝置形似一個甜甜圈，能夠產生與驅動恒星能量相同的核反應。它們利用磁場將等離子體（一種含有離子和電子的流體狀物質）的加熱環路限制在比太陽核心溫度更高的環境中，迫使原子產生核聚變并釋放能量。若能將熾熱、不穩定的等離子體維持在足夠穩定且可控的狀態、持續足夠長的時間，便幾乎可以產生無限量的清潔能源，這是一項尚待實現的壯舉。

中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）視頻截圖

駕馭不穩定的等離子體是一份艱苦卓絕的工作。每天從清晨到午夜時分，龔先祖和同事們要加熱等離子體約100次。相比之下，位于英國庫勒姆（Culham）的歐洲聯合環狀反應堆（JET）在去年關閉前曾是世界上最大的核聚變研究設施，那里每日僅能完成20到30次加熱。作為全超導核聚變實驗裝置物理實驗總負責人，龔先祖表示：“我們幾乎沒有周末，也沒有假期。”

盡管全超導托卡馬克核聚變實驗裝置只是通往引發廣泛期待的核聚變發電站的一塊跳板，但這樣的設施卻讓中國在全球核聚變研究的競賽中嶄露頭角。

全世界最知名的核聚變實驗裝置是耗資220億美元建造的國際熱核聚變實驗堆（ITER），這個位于法國南部的龐大托卡馬克裝置正在建設中，中國也參與了該項目。近年來，美國與其他地方的雄心勃勃的企業已籌集數十億美元建造自己的反應堆，他們聲稱將在政府主導項目之前展示出實用的核聚變能力。

與此同時，中國正迅速向核聚變研究領域投入大量資源。中國政府的“十四五”規劃將關鍵核聚變項目的綜合研究設施列為國家科技基礎設施發展的重大優先事項。

美國能源部旗下核聚變能源科學辦公室副主任讓·保羅·阿蘭（Jean Paul Allain）稱，粗略估計，中國現在每年在核聚變研究上的投入可能高達15億美元，幾乎是美國政府本財年對該研究撥款的兩倍。他還說：“比總價值更重要的是他們實現這一目標的速度有多么快。”

麻省理工學院（MIT）的核科學家丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）表示：“在核聚變研究領域，中國已從25年前的無名之輩發展為擁有世界級水平的國家。”

盡管還無人能預見核聚變發電站是否具有可行性，但中國科學家已制定了雄心勃勃的時間表。到本世紀30年代，即國際熱核聚變實驗堆啟動主要實驗之前，中國計劃建成中國聚變工程實驗堆（CFETR），目標是產出一吉瓦的聚變能量。根據2022年制定的發展路線圖，若該計劃順利實施，人類有望在未來幾十年內迎來第一座核聚變發電站的誕生（J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022）。

英國帝國理工學院等離子體物理學家亞斯明·安德魯（Yasmin Andrew）表示：“中國正在戰略性地投資與發展核聚變能源計劃，以期在全球范圍內保持長期領先地位。”

建造人造太陽

自20世紀50年代以來，科學家們一直在嘗試讓核聚變反應堆能夠運作。其基本原理是將兩個帶正電荷、相互排斥的氫原子核合并成一個更大的氦原子核。在太陽內部，引力產生的巨大壓力足以實現這一過程；而在地球上則需要高溫和強磁場的輔助。然而迄今為止，研究人員依然無法令核聚變反應維持足夠長的時間，以產生相比引發核聚變反應所需更多的能量。

2022年底，位于美國加州利弗莫爾的美國國家點火裝置（NIF）研究人員宣布取得了突破性進展，他們在短時間內回收了相比投入的燃料更多的聚變能量。美國國家點火裝置使用托卡馬克裝置的替代設計，向氫同位素氘和氚的微小顆粒發射192束激光，引發了它們的聚變反應。然而，用于操作激光的能量遠超過向目標輸送的能量。

許多研究人員認為，實現核聚變能最可行的方法是利用托卡馬克裝置來約束一個持久的“燃燒等離子體”，其中，聚變反應產生的熱量足以維持其燃燒。國際熱核聚變實驗堆的目標之一，也是建設核聚變發電站的一般先決條件便是創造一種燃燒等離子體，其產生的能量是輸送給等離子體的十倍。

若科學家能夠實現這一目標，核聚變技術將提供一種比傳統裂變核電站更安全、更清潔的替代方案。裂變核電站分裂重鈾原子核所產生的放射性廢料，其危害性可能持續數千年。而聚變反應堆產生的廢料則壽命較短。其另一大安全特點在于，如果等離子體降至一定溫度或密度以下，聚變反應就會自行停止。此外，預計核聚變過程將比核裂變更高效；國際原子能機構指出，每千克燃料產生的聚變能是裂變能的四倍。

中核集團中核工程牽頭的中法聯合體是目前國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目主機安裝的唯一承包商。“中核集團”微信公眾號

對中國而言，這是一個極其誘人的前景。在2020年至2022年期間，中國部分地區因寒冬時節電力需求的激增而出現大規模停電。盡管可再生能源領域發展迅速，但中國仍有一半以上的電力來自煤炭，且仍是全球碳排放的最大來源國。中國計劃在2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，但其能源需求將在未來三十年內翻一番。等離子體物理學家、中科院等離子體物理研究所所長宋云濤表示：“我們需要推動創新、減少碳排放，這是我們的夢想。核聚變能源可以實現這一點。”