《自然》长文盘点中国核聚变研究反应堆

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龚先祖的“龙”是一台聚变研究反应堆：全超导托卡马克核聚变实验装置 （EAST，中文名为“东方超环”） 。 托卡马克装置是一种环状装置，产生的正是驱动恒星相同的核反应。它们利用磁场来约束加热的等离子体环——一种包含离子和电子的流体状物质状态，其温度比太阳核心还要高。其目的是使原子核发生聚变，释放能量。如果能够保持和控制这些炽热而不稳定的等离子体足够长的时间，这种能量就可以被用作几乎无限的清洁能源——这是一个尚未实现的壮举。

控制不稳定的等离子体是艰苦的工作。每天，龚先祖和他的同事们从早晨到午夜要进行约100次等离子体的点火实验。相比之下，英国卡勒姆的联合欧洲托卡马克装置 （JET） 在去年关闭前曾是世界上最大的聚变研究设施，每天仅能进行20到30次点火。“我们几乎没有周末，也没有假期。”龚先祖说，他负责EAST的理论和实验操作。

尽管EAST只是迈向预期聚变发电厂的一小步，但它是中国走进全球核聚变竞赛圈的重要设施之一。

世上最知名的聚变实验是耗资220亿美元的国际热核聚变实验堆 （ITER） ，这是一台正在法国南部建造的巨大托卡马克装置，中国也参与其中。近年来，美国及其他地区的一些雄心勃勃的公司筹集了数十亿美元，计划建造他们自己的反应堆，声称将比国家主导的计划更早展示实用的聚变电力。

与此同时，中国正迅速向聚变领域投入资源。 中国政府的现行五年计划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点。 据估计，中国现在每年在聚变研究上可能花费15亿美元，几乎是今年美国政府为此研究拨款的两倍，美国能源部聚变能源科学办公室副主任Jean Paul Allain说，“而比投入的总额更重要的是他们执行的速度。”

“过去25年，中国从局外人成长为拥有世界级能力的国家。”麻省理工学院 （MIT） 的核科学家Dennis Whyte说。

虽然目前还没有人知道聚变发电厂是否真的可行，但中国科学家的时间表展现出了巨大的雄心壮志。预计在2030年代，在ITER开始其主要实验之前，中国计划建造中国聚变工程试验堆 （CFETR） ，目标是产生高达1吉瓦的聚变能量。如果中国的计划顺利进行，根据2022年的一个路线图，一个试行聚变发电厂可能会在接下来的几十年中出现 （J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022） 。

“中国正采取一种战略性方法投资和发展其聚变能源项目，着眼于在全球范围保持长期领先。”伦敦帝国理工学院的等离子体物理学家Yasmin Andrew说。

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打造人造太阳

自1950年代以来，科学家们一直试图使聚变反应堆正常工作。其基本思路是将两个氢原子核——它们带正电荷，因此会相互排斥——融合成一个较大的氦原子核。在太阳中，引力可以产生足够的压力来实现这一点；在地球上，则需要高温和强磁场。然而，到目前为止，研究人员还未能使聚变反应持续足够长的时间，使之产生的能量超过引发它所用掉的能量。

2022年底，美国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性进展，他们在短时间内回收了超过投入目标的聚变能量。NIF采用了一种与托卡马克装置不同的设计，使用192束激光束瞄准一个微小的氘和氚同位素燃料球，从而引发聚变。然而，操作激光器所需的能量远远超过了输入给目标的能量。许多研究人员认为，最实际的聚变能源方法将是使用托卡马克装置来约束一个持久的“燃烧等离子体”，其中聚变反应提供维持它所需的热量。ITER的一个目标——被认为是可行聚变发电厂的普遍前提——是创造一个可以产生十倍于投入能量的燃烧等离子体。

如果科学家们能够做到这一点，核聚变将为传统的核裂变发发电厂提供一种更安全、更清洁的替代方案。 裂变是分裂重的铀核，产生的放射性废料可能会在几千年里都有危险性。而聚变反应堆产生的废料寿命比较短。另一个安全特性是，如果等离子体的温度或密度下降到一定程度，聚变反应将自动停止。而且这一过程预计比裂变更有效率；国际原子能机构称，聚变反应每公斤燃料所产生的能量可能是裂变的四倍。

对于中国来说，这是一个特别诱人的前景，在2020年至2022年间，一些地区由于寒冷冬季导致电力需求激增而经历了大规模的停电。尽管可再生能源发展迅速，中国仍然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来源国。尽管中国计划在2030年达到碳排放峰值，并在2060年实现碳中和，其未来三十年的能源需求预计将翻一番。 “我们需要能够减少碳排放的创新——这是我们的梦想。 核聚变能源可以做到这一点。”ASIPP所长宋云涛说。

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