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中國的愿景

在全超導托卡馬克核聚變實驗裝置的控制室內，龔先祖正準備輕點鼠標、再次發射等離子體脈沖。等離子體被約束在控制室顯示器墻后面的真空室中，室頂懸掛著中國國旗。龔先祖說：“每一次發射都可能為聚變能源的未來提供支持。”

中國參與核聚變研究始于利用俄羅斯和德國設備部件建造的數個中小型托卡馬克裝置。2003年，中國與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯及美國共同加入了國際熱核聚變實驗堆計劃。

2006年，中國建成全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，該項目自建成起便多次刷新等離子體維持時間的世界紀錄，不僅僅是秒級，而是達到了分鐘級。國際熱核聚變實驗堆科學部門負責人阿爾貝托·洛阿爾特（Alberto Loarte）表示，全超導托卡馬克核聚變實驗裝置在生成持久等離子體方面的獨特能力，使其成為國際熱核聚變實驗堆的主力實驗室，尤其是在快速交叉檢驗實驗結果方面。他評價道：“中國的研究非常活躍。”

洛阿爾特舉例說，今年1月，他和同事們對全超導托卡馬克核聚變實驗裝置進行了為期一周的實驗，以驗證即便反應堆面向等離子體的內壁未涂覆隔絕雜質的硼層，通過鎢材料的內襯也能實現等離子體的緊密約束（這些發現也給國際熱核聚變實驗堆提供了幫助。2023年10月，研究人員決定用鎢代替鈹作為反應堆壁襯）。

洛阿爾特表示，在許多國家，開展這類實驗可能需要幾個月的籌備時間。然而在中國，許多研究小組無需正式提案或冗長討論環節，便能在短短數周內將計劃付諸實施。

國際熱核聚變實驗反應堆最初計劃于2020年啟動實驗，但一直飽受延期的困擾。今年7月，研究人員宣布，將把主要實驗推遲至2039年。位于巴黎的法國替代能源與原子能委員會聚變科學家杰羅尼莫·加西亞·奧萊亞（Jeronimo Garcia Olaya）表示，大多數國際熱核聚變實驗堆國家都在同時發展本國核聚變能力，但很少有國家像中國這樣投入如此密集的努力。中國正在打造一個雄心勃勃的計劃，身兼日本那珂市JT-60SA實驗聯合負責人的奧萊亞說道，該裝置是目前全球最大的在運托卡馬克裝置。

除了全超導托卡馬克核聚變實驗裝置之外，中國還擁有于2020年在成都西南物理研究院啟用的“中國環流器三號”（HL-3）托卡馬克等其它聚變反應堆研究設施。這些設施的實驗成果將為下一代中國聚變工程試驗堆提供數據支持，盡管其建設尚需得到政府批準。一位不愿透露姓名的中科院等離子體物理研究所（ASIPP）人士表示，他無法給出一個明確的審批時間表，但政府在決策時會考慮國際熱核聚變實驗反應堆的進度。中國聚變工程實驗堆的規模將略大于國際熱核聚變實驗堆，以填補后者這一純實驗設備與一座示范性核聚變發電站之間的差距。

“中國環流三號”是我國目前設計參數最高、規模最大的核聚變大科學裝置，也被稱為中國的新一代“人造太陽”。視頻截圖

中國聚變工程實驗堆的首要目標是產生100至200兆瓦的凈功率，即產生的電力超過用于加熱等離子體所需的能量，但尚不足以覆蓋設施運行所消耗的全部電力。到本世紀40年代，其目標是提供十倍于直接輸入等離子體的熱量，這是實現可行聚變反應的關鍵里程碑，同時還將產出高達一吉瓦瓦的凈電能。若實現這一目標，一座示范性發電站將有能力向電網輸電。

2022年發布的中國聚變工程試驗堆工程設計報告意味著該設施將領先多個示范性核電站，包括歐盟和日本提出建設的DEMO反應堆。兩者預計分別在2029年和2025年啟動工程設計。

阿蘭認為，中國在核聚變研究方面的優勢并不在于突出的工程創新，而在于速度和對開發建造反應堆所需的材料、組件和診斷系統的關注。

為了開發中國聚變工程實驗堆，中科院等離子體物理研究所已開始在全超導托卡馬克核聚變實驗裝置不遠處建造一個占地40公頃（約60個足球場大小）的大工廠。預計明年竣工的聚變技術綜合研究設施“夸父”（CRAFT）將成為一個龐大的研究中心，研究人員將在此研發并制造用于中國聚變工程實驗堆及后續聚變電站所需的材料、部件和原型設施。

在美國，一處開發關鍵聚變技術的類似設施多年來始終被列為優先事項，但由于資金有限及其他問題，計劃一直未能落地。懷特表示：“這一直令人沮喪。雖然出現了一些變革的跡象，但我們已經失去了領先地位。”

中國對建立核聚變研究人才隊伍的重視使其具備了人才優勢。位于阿賓頓的英國原子能管理局（UKAEA）等離子體物理學家孫紅娟（音）表示，“他們確實投入了大量精力培養下一代人才。”孫紅娟曾參與歐洲聯合環狀反應堆項目。阿蘭估計，在核聚變研究領域，中國有多達數千名博士生，而美國僅有數百人。

商業努力

雖然中國的計劃正在迅速推進，但世界各地的初創公司對聚變能源商業化運用的速度提出了更大膽的主張。

例如，從麻省理工學院中分拆出來的聯邦聚變系統（CFS）公司承諾，其名為SPARC的托卡馬克裝置將成為首個產生聚變能量超過等離子體所消耗熱量的裝置。這家總部位于馬薩諸塞州德文斯的公司正與麻省理工學院的研究人員合作，并表示SPARC將在2026年底前產生首批等離子體，這一進展依賴于高溫超導材料方面的進步。相較于國際熱核聚變實驗堆和其他巨型設施，這些材料能夠讓他們更小巧且更快速地建造托卡馬克裝置。聯邦聚變系統公司表示，將在本世紀30年代初建成向電網供電的聚變電站。其他公司也在對各種聚變電站的原型設計發表類似的樂觀言論。

總部位于美國的聚變工業協會（FIA）表示，全球有40多家公司正致力于實現核聚變商業化運用，這些企業累計已獲得71億美元的投資。

與此同時，中國的核聚變產業也在蓬勃發展。據美國聚變工業協會首席執行官安德魯·霍蘭德 (Andrew Holland) 透露，僅在短短幾年內，中國核聚變初創企業就吸引了超過5億美元的投資，這一數字僅次于美國，后者在核聚變公司上的投資已超過50億美元。“中國的私營企業在核聚變研究領域有重大投入。”

1月，由中國核工業集團牽頭，25家國企、4所高校與1家私營公司組成的可控核聚變創新聯合體正式宣布成立，以匯集資源、加速中國的聚變能源研究進程。

中國最大的民營能源企業之一——新奧集團，是聚變研究領域的產業巨頭之一。根據聚變工業協會數據，新奧集團在其聚變能源項目上的投入已超2億美元，其發展路線圖是在2035年之前建造一個“商業示范”反應堆。

過去三年，中國涌現出一批致力于核聚變研發的公司。上海能量奇點科技有限公司便是其中之一，這家初創企業成立于2021年，是中國首家專注于核聚變發電的企業。與SPARC類似，能量奇點旨在利用最新的磁體材料優勢，建造體積更小、成本更低的托卡馬克裝置。據聯合創始人楊釗透露，該公司迄今已獲得約1.1億美元的資金支持。今年6月，其HH70托卡馬克裝置成功實現首次等離子放電，并采用了高溫超導磁體。楊釗表示，這是全球首例。

高溫超導托卡馬克裝置“洪荒70”。

能量奇點公司正在規劃中的下一代設備“洪荒70”（HH70），其目標是產生比維持等離子體所需熱量高出十倍的能量。楊釗與他的美國同行一樣樂觀，預計這座小型托卡馬克裝置僅需三到四年即可建成，而不必耗時數十年。

燃料的可獲得性是聚變研究的一大問題。對于托卡馬克裝置來說，氘氚（D-T）等離子體混合物被認為是最高效的燃料之一。然而，自然界中氚的含量非常稀少，因此需要在聚變設施中通過聚變反應期間產生的中子與托卡馬克裝置內壁鋰毯的反應來生產氚。這種“氚增殖”（Tritium breeding）是否切實可行，目前尚無定論。

國際熱核聚變實驗堆是探索這一問題的規模最大的研究項目之一。然而，中國有著更為迅速的計劃：燃燒等離子體實驗托卡馬克（BEST），就建在聚變技術綜合研究設施的旁邊，預計將于2027年完工。宋云濤介紹說，該項目完工后將進行氘-氚等離子體（D-T）實驗，并探索能否實現氚增殖。

許多人認為，這些都是為解決世界能源問題提供關鍵方案的長期努力的一部分。與私營公司的樂觀態度相反，在全超導托卡馬克核聚變實驗裝置的實驗室，龔先祖認為聚變能源研究的競賽更像是一場馬拉松而非短跑。他還要進行數千次等離子體發射。“我們還有很多工作要做。”他說道。

（原文發布在美國《自然》雜志網站，原標題：中國引領全球核聚變研究競賽的故事。 Inside China's race to lead the world in nuclear fusion.）

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