今年二月的一个寒冷的早晨，中科院合肥等离子体物理研究所的院子里白雪皑皑，显得格外安静。春节将至，城里大多数人都在忙着准备过年。龙年。不过，研究所的研究人员们仍在努力工作。在天花板上点缀着红色霓虹星的巨大控制室里，等离子体物理学家龚显祖正在驯服一条独特的“火龙”。
这条“火龙”是核聚变反应试验装置——实验性超导托卡马克（EAST）。这个托卡马克装置形状像甜甜圈，可以产生与驱动恒星能量相同的核反应。它们利用磁场将加热的等离子体（一种含有离子和电子的流体状物质）环路被送到比太阳核心更热的环境中，迫使原子聚变并释放能量。如果这种热的、不稳定的等离子体能够在一段时间内保持稳定和可控的状态，只要时间足够长，它就能产生几乎无限的清洁能源，这是一项至今尚未实现的壮举。
中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所被誉为“人造太阳”的实验超导托卡马克（EAST）视频截图
利用不稳定等离子体是一项艰巨的工作。每天从清晨到午夜，龚先祖和他的同事们必须加热等离子体约 100 次。相比之下，位于英国卡勒姆的欧洲联合环形反应堆 (JET) 是世界上去年关闭前最大的核聚变研究装置，每天只能完成20到30次加热操作。作为全超导核聚变实验装置的首席物理实验师，龚先祖说：“我们几乎没有周末，也没有假期”。
虽然全超导托卡马克核聚变实验装置只是人们期待已久的核聚变电站的垫脚石，但这样的设施已经让中国在全球核聚变研究竞赛中脱颖而出。
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大型托卡马克装置，中国也参与其中。近年来，美国等地雄心勃勃的公司已经筹集了数十亿美元的资金。斥资建造自己的反应堆，他们声称这些反应堆将在政府主导的项目之前展示实用的核聚变能力。
与此同时，中国正在迅速投入大量资源开展核聚变研究。中国政府的“十四五”规划将重点核聚变项目综合研究设施列为国家科技基础设施发展的重点。
副主任让·保罗·阿兰说，粗略估计，中国现在每年在核聚变研究上的投入可能高达 15 亿美元，几乎是美国政府本财年拨给该项研究的资金的两倍。他补充说：“更重要的是比总价值更重要的是他们实现这一目标的速度。”
麻省理工学院核科学家丹尼斯·怀特说：“中国已经从25年前的无名小卒一跃成为核聚变研究领域的世界一流国家。”
虽然没有人能够预测核聚变电站是否可行，但中国科学家已经制定了一个雄心勃勃的时间表。到 2030 年代，在国际热核聚变实验堆开始进行重大实验之前，中国计划建造中国聚变工程试验反应堆（CFETR） ），目标是产生1千兆瓦的聚变能。根据2022年制定的发展路线图，如果计划顺利实施，人类可以期待在未来几十年内诞生第一座核聚变电站（J. Zheng 等。3，；2022）。
伦敦帝国理工学院等离子体物理学家亚斯明·安德鲁表示：“中国正在战略性地投资和发展其聚变能计划，以保持其长期的全球领导地位。”
建造人造太阳
自 20 世纪 50 年代以来，科学家一直在尝试让核聚变反应堆运转起来。其基本原理是将两个带正电、相互排斥的氢原子核合并成一个更大的氦原子核。在太阳内部，巨大的引力足以实现这一目标；在地球上，需要高温和强磁场来协助。然而，到目前为止，研究人员还无法使核聚变反应持续足够长的时间，以产生比启动反应所需的更多的能量。
2022 年底，位于加利福尼亚州利弗莫尔的国家点火装置 (NIF) 的研究人员宣布了一项突破，他们在短时间内回收的聚变能量比他们投入的燃料还要多。国家点火装置使用一种替代托卡马克装置的设计是向氢同位素氘和氚的微小粒子发射 192 束激光，从而引发它们的聚变反应。然而，操作激光所用的能量远远超过传送到目标的能量。
许多研究人员认为，实现聚变能的最可行方法是使用托卡马克来限制持续的“燃烧等离子体”，其中聚变反应产生的热量足以使其持续燃烧。ITER 的目标之一，也是建造聚变发电厂的一般先决条件是产生一个燃烧的等离子体，其能量可达到输送能量的十倍。
如果科学家能够实现这一目标，核聚变技术将为传统裂变核电站提供更安全、更清洁的替代方案。裂变核电站分裂重铀原子核，产生放射性废物，这些废物可能在数千年内仍是危险的。聚变反应堆另一方面，产生的废物寿命较短。另一个主要的安全特性是，如果等离子体降至某个温度或密度以下，聚变反应将自行停止。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，每公斤燃料聚变产生的能量是核裂变的四倍。
由中核工程牵头组成的中法联合体是目前国际热核聚变实验堆（ITER）项目主发动机安装唯一承包商。
对于中国来说，这是一个极具诱惑力的前景。2020 年至 2022 年期间，由于寒冷冬季电力需求激增，部分地区经历了大规模停电。尽管可再生能源行业发展迅速，但中国仍然面临一半以上的电力来自煤炭，仍然是世界上最大的碳排放源。中国计划在 2030 年实现碳排放峰值，并在 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“推动创新，减少碳排放。这是我们的梦想。核聚变能可以实现这一点，”等离子体物理学家、中国科学院等离子体物理研究所所长宋云涛说。
中国的愿景
在全超导托卡马克核聚变实验装置的控制室内，龚显祖正准备点击鼠标发射另一束等离子体脉冲。等离子体被限制在控制室显示墙后面的真空室内，中国国旗悬挂在天花板上。龚显祖说：“每一次发射，都可能为聚变能源的未来提供支持。”
中国参与核聚变研究始于使用俄罗斯和德国设备部件建造的几座中小型托卡马克装置。2003年，中国与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯一起加入了国际热核聚变实验反应堆计划和美国。
2006年，中国建成全超导托卡马克核聚变实验装置。自建成以来，该项目屡屡打破等离子体维持时间的世界纪录，不仅以秒为单位，而且以分钟为单位。国际热核聚变实验反应堆（ITER）负责人表示，全超导托卡马克核聚变实验装置在产生持久等离子体方面的独特能力，使其成为国际热核聚变实验反应堆的主实验室，特别是在快速交叉检验实验结果方面具有重要意义。他评价说：“中国的研究非常活跃。”
洛阿特举了一个例子，称今年1月，他和同事在全超导托卡马克核聚变实验装置上进行了为期一周的实验，以验证即使反应堆面向等离子体的内壁没有涂上一层硼层隔离杂质，等离子体可以穿过钨内衬而被紧密约束（这些发现也为国际热核实验反应堆提供了帮助，2023年10月，研究人员决定用钨代替铍作为反应堆壁内衬）。
洛特说，在许多国家，这样的实验可能需要数月的准备时间，但在中国，许多研究小组可以在短短几周内将计划付诸实施，无需正式提案或长时间的讨论。
ITER 原定于 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。大多数 ITER 国家都在同时开发自己的核聚变能力，但很少有国家投入如此多的资金。法国巴黎替代能源和原子能委员会核聚变科学家杰罗尼莫·加西亚·奥拉亚说，中国正在开展一项雄心勃勃的计划。奥拉亚也是纳卡 JT-60SA 实验的联合主任。日本是世界上最大的运行托卡马克。
除了全超导托卡马克核聚变实验装置外，中国还有其他聚变反应堆研究设施，如2020年在西南研究院投入使用的“中国托卡马克三号”(HL-3)托卡马克。成都的等离子体物理研究所的研究人员表示，这些设施的实验结果将为下一代中国聚变工程试验堆提供数据支持，尽管其建设仍需政府批准。中国科学院等离子体物理研究所的一位人士一位不愿透露姓名的人士表示，他无法给出明确的批准时间表，但政府在做决定时会考虑国际热核聚变实验反应堆的进展情况。中国聚变工程试验反应堆的规模将略大于国际热核聚变实验反应堆的建成，填补了纯实验装置与示范性核聚变电站之间的空白。
“中国环流三号”是我国目前规模最大、设计参数最高的核聚变科学装置，也被称为我国新一代“人造太阳”。视频截图
CFER 的主要目标是生产 100 到 200 兆瓦的净功率，也就是说，比加热等离子体所需的电力要多，但不足以覆盖设施运行所消耗的所有电力。到 2040 年代，目标是是将十倍的热量输入直接输入等离子体，这是实现可行聚变反应的关键里程碑，同时还能产生高达 1 千兆瓦的净电力。如果实现这一目标，示范发电厂将能够将电力输送到网格。
中国聚变工程试验反应堆将于 2022 年发布工程设计报告，这意味着该设施将领先于几个示范核电站，包括欧盟和日本提出的 DEMO 反应堆，预计这些反应堆将于 2029 年开始工程设计和 2025 年。
艾伦认为，中国在核聚变研究方面的优势不在于出色的工程创新，而在于速度和专注于开发建造反应堆所需的材料、部件和诊断系统。
为了研制中国聚变工程试验反应堆，中国科学院等离子体物理研究所已经开始在距离核聚变中心不远的地方建造一座占地40公顷（约60个足球场大小）的大型工厂。全超导托卡马克核聚变实验装置。预计明年竣工的“夸父”（CRAFT）聚变技术综合研究设施将成为一个巨大的研究中心，研究人员将在这里开发和制造所需的材料、部件和原型设备用于中国聚变工程试验反应堆和后续聚变电站。
在美国，多年来，类似的设施一直是开发关键聚变技术的优先事项，但资金有限和其他问题阻碍了这一进程。“这令人沮丧，”怀特说。“有一些变化的迹象，但我们失去了领先优势。”
中国致力于建设核聚变研究队伍，这为其带来了人才优势。“他们确实投入了大量精力来培养下一代人才，”英国原子能管理局（UKAEA）阿宾登分校的等离子体物理学家孙红娟说。曾参与欧洲联合环面项目。艾伦估计，中国有数千名聚变研究领域的博士生，而美国只有几百名。
商业努力
在中国计划快速推进的同时，世界各地的初创企业也在更大胆地宣称核聚变能源商业化的速度。
例如，麻省理工学院的一个衍生公司承诺，其托卡马克装置 SPARC 将首次产生比等离子体所消耗的热量更多的聚变能量。这家位于马萨诸塞州德文斯的公司正在与麻省理工学院和表示 SPARC 将在 2026 年底前生产出第一台等离子体，这一进展依赖于高温超导材料的进步。这些材料将使他们能够建造比 ITER 和其他大型设施更小、更快的托卡马克。 表示，它将到 2030 年代初，将有一座核聚变电厂向电网供电。其他公司也对各种核聚变电厂原型做出了类似的乐观声明。
美国核聚变工业协会（FIA）称，目前全球有40多家公司致力于将核聚变商业化，这些公司共获得71亿美元的投资。
与此同时，中国的核聚变产业也在蓬勃发展。据核聚变工业协会首席执行官安德鲁·霍兰德介绍，短短几年间，中国核聚变初创企业就吸引了超过5亿美元的投资，这一数字仅次于美国。美国已向核聚变公司投资超过 50 亿美元。“中国私营企业在核聚变研究方面进行了重大投资。”
今年1月，由中国核工业集团公司牵头，由25家国有企业、4所大学和1家民营企业组成的可控核聚变创新联盟正式宣布成立，旨在汇集各方资源，加速中国聚变能研究进程。
新奥集团是中国最大的民营能源公司之一，也是核聚变研究领域的行业巨头之一。据核聚变行业协会称，新奥集团已在核聚变能源项目上投资超过 2 亿美元，其发展路线图要求建立一个2035年建成“商业示范”反应堆。
近三年来，中国涌现出一批致力于核聚变研发的公司。其中之一就是成立于2021年的初创公司，这是中国第一家专注于核聚变发电的公司。与SPARC类似， 旨在利用最新的磁铁材料建造更小、更低成本的托卡马克。据联合创始人杨钊介绍，该公司迄今已获得约 1.1 亿美元的融资。今年 6 月，其 HH70 托卡马克装置成功实现了首次实现等离子体放电，并采用高温超导磁体。杨钊说，这在国际上尚属首次。
高温超导托卡马克装置“洪黄70”。
正在规划其下一代装置 70 (HH70)，其目标是产生比维持等离子体所需热量高出十倍的能量。杨钊和他的美国同行一样，对这种小型托卡马克装置能够仅需三至四年即可建成，而不需要几十年。
燃料的可用性是聚变研究中的一个主要问题。氘-氚 (DT) 等离子体混合物被认为是托卡马克最有效的燃料之一。然而，氚在自然界中非常稀有，因此需要在聚变中产生通过将聚变反应中产生的中子与托卡马克内部的锂包层反应，可以实现氚的增殖。这种“氚增殖”是否可行目前仍不得而知。
国际热核聚变实验堆是探索这一问题的最大研究项目之一。然而，中国有一个更快的计划：在核聚变技术综合研究设施旁边建造的燃烧等离子体实验托卡马克（BEST）预计将于预计2027年建成。宋云涛介绍说，项目建成后，将开展氘氚等离子体（DT）实验，探索能否实现氚的增殖。
很多人认为，这些都是为解决世界能源问题提供关键解决方案的长期努力的一部分。与私营企业的乐观态度相反，在全超导托卡马克核聚变实验装置的实验室里，龚先祖认为，聚变能研究竞赛更像是一场马拉松，而不是短跑。他还有数千次等离子体发射要进行。“我们还有很多工作要做。”他说。
（原载于美国《自然》杂志网，原标题：中国竞相引领世界核聚变研究）
