中国力争引领全球核聚变领域 |《自然》长文
原创 Nature Portfolio 自然系列 2024年11月01日 12:41 浙江
原文作者：Gemma Conroy
本篇《自然》长文共4331字，干货满满，预计阅读时间13分钟
中国计划建造聚变发电厂，以提供清洁、无限的能源。这能否实现？
位于中国合肥中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）的全超导非圆截面托卡马克核聚变装置（EAST）。图片来源：中国科学院等离子体物理研究所
中国合肥
在合肥的一个寒冷的二月早晨，中国科学院等离子体物理研究所（ASIPP）覆雪的场地安静异常。新年即将来临，城市中的大多数人都在准备庆祝龙年。而在研究所里，研究人员仍在紧张工作。在巨大的控制室内，天花板上镶嵌着红色霓虹灯星星，等离子体物理学家龚先祖正在驯服另一种自然伟力。
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。
龚先祖（右）与ASIPP所长宋云涛。图片来源：黄博涵/IMAGO via Alamy
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。
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。
正在法国建造的巨型ITER聚变反应堆。图片来源：Nicolas Tucat/AFP via Getty
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。
中国的愿景
在EAST的控制室内，龚先祖准备点击鼠标，发射另一波等离子体。等离子体本身位于控制室监控墙后的真空室中，顶上悬挂着中国国旗。“每次点火都有可能对聚变能源的未来有所助益。”龚先祖说。
中国的聚变研究始于使用来自俄罗斯和德国设备的部件建造几台小型和中型托卡马克装置。2003年，中国加入了国际ITER实验，与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国携手合作。
2006年，中国开放了EAST装置，该装置已创下持续数分钟而非数秒的等离子体世界纪录。EAST在创造长寿命等离子体方面的优势使其成为ITER的重要实验平台，特别是用于快速交叉验证结果，ITER科学部门负责人Alberto Loarte说。“中国的研究非常活跃。”他说。
Loarte提到，今年一月，他和同事在EAST进行了一周的实验，以验证用钨衬里反应堆的等离子体壁能否实现紧密约束的等离子体，即使这些壁没有涂上一层硼以防止杂质进入。（这些发现将帮助ITER，后者在2023年10月决定将壁衬材料改为钨而非铍。）在许多国家，这样的工作可能需要几个月的时间来组织，Loarte说。但在中国，计划通常在几周内就能敲定，因为许多研究组不需要正式的提案或长时间的讨论就可以开始工作。
ITER原计划在2020年启动实验，但由于种种原因推迟了。在7月，研究人员宣布将其主要实验推迟到2039年。大多数ITER成员国正在并行发展其国内的聚变能力，但很少有国家像中国那样集中投入，法国原子能和替代能源委员会的聚变科学家Jeronimo Garcia Olaya说。“他们正在打造一个非常雄心勃勃的计划。”Olaya说，他是日本中型托卡马克装置JT-60SA的实验共同负责人，这是目前是世界上最大的运行中的托卡马克装置。
除了EAST之外，中国的其他聚变研究反应堆还包括2020年在成都西南物理研究所启用的HL-3托卡马克装置。在中国设施上进行的实验将为下一代CFETR提供数据，尽管其建设尚需政府批准。ASIPP的一名不愿透露姓名的人士表示，无法给出明确时间表，但政府正在将ITER的时间表纳入决策考量。CFETR将略大于ITER，旨在弥补ITER（一个纯粹的实验设备）与能够发电的示范发电厂之间的差距。
EAST真空室内的一位研究人员。图片来源：中国科学院等离子体物理研究所
CFETR首先旨在产生100至200兆瓦的净功率：产生的功率超过用于加热等离子体的功率，但不足以覆盖装置的运行电力。到2040年代，它的目标是产生比直接投入等离子体的能量多十倍以上的热量，这是可控核聚变的里程碑，同时还要产生高达1吉瓦的净功率。如果能够实现，示范发电厂将开始给电网供给电力。
CFETR的工程设计报告于2022年发布，使该设施领先于几个示范发电厂，包括欧盟和日本提出的DEMO反应堆——预计分别在2029年和2025年开始其工程设计。
中国在聚变研究方面的优势不在于突出的工程创新，Allain说，而在于其在开发建造反应堆所需的材料、组件和诊断系统方面的速度和专注力。
为了开发CFETR，ASIPP已经开始建设一个距EAST不远的占地40公顷的庞大车间（约60个足球场大小）。这个聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）是一个巨大的中心，研究人员将在那里开发和制造CFETR及后续聚变发电厂的材料、组件和原型。
中国合肥聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的航拍照片。图片来源：Zheng Xianlie/Xinhua via Alamy
在美国，一个类似的用于开发关键聚变技术的设施已经多年被列为优先事项，但由于资金有限等问题，计划未能实现，Whyte说。“这令人沮丧。”他说。“有些积极改变的迹象，但我们失去了领先地位。”
中国对培养聚变人才的重视也使其在人员方面占据了优势，英国原子能管理局的等离子体物理学家Hongjuan Sun说。“他们确实在培养下一代方面投入了大量精力。”她说，她曾在JET工作。Allain估计中国有几千位聚变领域的博士生，而美国只有数百人。
商业努力
中国的计划在快速推进，而世界各地的初创公司则对实现商业化聚变能源的速度提出了更大胆的主张。
例如，麻省理工学院（MIT）孵化的初创公司Commonwealth Fusion Systems（CFS）承诺其SPARC托卡马克装置将第一个产生超过等离子体消耗的聚变能量。该公司总部位于马萨诸塞州的德文斯，正与MIT研究人员合作，称SPARC将在2026年底实现第一次等离子体点火。该项目依赖于高温超导材料的进步，这应使其托卡马克装置比ITER和其他巨型设施小得多且建造更快。CFS表示将在2030年代初期拥有可给电网供电的聚变发电厂。其他公司也对各自的聚变发电厂设计提出了类似的乐观声明。
正在马萨诸塞州德文斯建造的紧凑型SPARC托卡马克装置的设计效果图。来源：CFS/MIT-PSFC，CAD效果图：T. Henderson
美国的聚变产业协会（FIA）表示，全球范围内，已有40多家公司致力于商业化聚变反应堆，并已获得71亿美元的投资。
中国的核聚变产业也在迅速发展。中国的聚变初创公司在短短几年内就吸引了超过5亿美元的投资，FIA首席执行官Andrew Holland说。这使中国仅居美国次席，后者已经向聚变公司投入了超过50亿美元。“中国的私营机构也在积极投身聚变。”他说。
今年一月，中国政府成立了一个名为中国聚变能源的国家协会，由中国核工业集团公司领导。它汇集了25家国有企业、四所大学和一家私人公司，目的是整合资源，加速中国的聚变进程。
聚变研究的工业巨头之一是中国最大的私营能源集团之一——ENN集团。据FIA，该公司已向其聚变能源项目投资超2亿美元。ENN设想于2035年完成一个“商业示范”反应堆的建造。
在过去三年中，中国还涌现了一批专注于聚变反应的公司。其中之一是于2021年成立的上海初创公司能量奇点（Energy Singularity），这也是中国首家专注于聚变电力的公司。与SPARC类似，Energy Singularity旨在利用最新的磁体材料建造更小、更便宜的托卡马克装置；公司联合创始人杨钊表示，公司迄今已吸引了约1.1亿美元的资金。今年六月，该公司研发的HH70托卡马克装置实现了其首次等离子体点火，并使用了高温超导磁体——杨钊表示这是全球首次。
中国首家聚焦聚变能源的公司能量奇点的HH-70托卡马克装置。图片来源：Energy Singularity
能量奇点计划开发下一代装置HH170，目标是产生比产生等离子体消耗的能量多十倍的能量。和美国公司一样乐观，杨钊估计这一小型托卡马克装置只需三到四年即可建成，而非数十年。
聚变反应的一个大问题是燃料的可获得性。对于托卡马克装置而言，氘和氚（D-T）同位素的混合物被认为是最有效的燃料之一。但氚在自然界中极为罕见，因此需要通过聚变反应产生的中子与聚变装置反应堆壁中的锂反应来生产氚。是否能够实现这种“氚增殖”仍不确定。
ITER是探索这一问题的最大研究之一。但中国有更快的计划：紧凑型聚变能实验装置（BEST），在CRAFT旁边建造，预计将于2027年完工，也将进行D-T实验，并探索是否可以实现氚增殖，ASIPP所长宋云涛说。
这一切都是为了长期推动核聚变的进展，许多人将之视为解决世界能源问题的关键。回到EAST，与私营公司的乐观不同，龚先祖将聚变能源的竞赛视为马拉松而非短跑。他还有几千次等离子体实验等在前方。“我们还有很多工作要做。”他说。
原文以Inside China’s race to lead the world in nuclear fusion标题发表在2024年8月28日《自然》的新闻特写版块上
nature
Doi：10.1038/d41586-024-02759-x
可控核聚变，能源工业革命，从众多过渡性能源一举跨越成人类终级能源，从0-1的开始近在眼前。全球重大机遇终极能源竞赛又开始了，我们来看看哪家公司具有龙头气质？
联创光电超导主导编制的国家标准正式发布
证券时报2024-10-31 09:15
证券时报e公司讯，10月26日，由江西联创光电超导应用有限公司牵头，国内电加热、超导应用领域多家优势单位联合编制的《电热和电磁处理装置基本技术条件第37部分：超导直流感应透热装置》国家标准正式发布。该标准规定了超导直流感应透热装置的产品分类、技术要求、检验规则、标志、包装、运输和贮存以及订购与供货，描述了对应的试验方法，将于2025年5月1日起正式实施。
金融界7月1日消息，有投资者在互动平台向联创光电提问：联创光电董办，请问关于联创超导核聚变项 目是否有最新进展? 公司回答表示：公司从联创超导获悉，2023年11月和中核聚变研究院签订合作协议后，积极推进项目合作进展。近日，公司董事长伍锐和中核集团副总工程师、中国核建党委书记、董事长陈宝智在上海就共同推进“星火一号”聚变-裂变混合示范堆的建设达成初步合作意向，双方通过强强联合，共同书写核能发展的新篇章。联创超导同时加快聚变项目相关的技术研发，继完成了高温超导集束缆线技术突破后，于2024年4月完成了基于集束缆线的D型超导线圈的研制和低温实验，验证了集束缆线设计与制造工艺的可行性。核心技术的连续突破标志着联创超导已经具备了用于大型高温超导磁体的综合性设计和批量化制备能力，为后续紧凑型聚变堆、强磁场装置、高场磁共振、超导储能等大型超导装备的研制和产业化提供了先进可靠的超导技术支持。
展望二：可控核聚变将带来能源成本的大幅下降，具有重要战略意义，将逐渐成为全球产业发展高地。据澎湃新闻报道，2023年8月，美国NIF实验室产生比2022年12月更高的核聚变能量产出。同月我国新一代人造太阳“环流三号”在试运行中首次实现100万安培下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录。根据FIA，截至2023年7月，全球聚变公司已累计融资超过62亿美元,相较2022年的48亿美元增加约14亿美元，同比增幅27%。美国私营公司Helion Energy于2023年5月与微软签订核聚变商业化发电“首单”，其最大投资者为OpenAI CEO Sam Altman。国内联创光电于11月与中核聚变（成都）设计研究院签订全面战略合作框架协议，工程总投资公司预计超过200亿元。
中国核聚变产业又有新进展。据中国核工业集团有限公司（下称中核集团）消息，11月12日，江西省人民政府与中核集团签订全面战略合作框架协议，在铀资源、综合矿业、核电厂址保护、聚变能源和新能源等十大方面开展合作。中核集团四个项目还参与了集中签约活动，涉及核聚变产业、核医疗、科研平台建设及人才培养等方面。其中，据江西省电子集团有限公司（下称江西电子）官网消息，当日江西联创光电超导应用有限公司（下称联创光电超导）和中核聚变（成都）设计研究院有限公司签订了协议，双方计划联合建设聚变-裂变混合实验堆项目。该项目采用全新技术路线，技术目标Q值大于30，实现连续发电功率100 MW。Q值是指聚变能量增益因子，当突破1时，核聚变产生的能量多于它消耗的能量，意味着达到科学能量收支平衡。“该项目拟落户江西省，工程总投资预计超过200亿元。”江西电子称，未来项目若成功，将从根本上为国家解决清洁能源供应的核心问题，并将催生出一个具有划时代意义的全新战略性新兴产业。截至目前，双方并未进一步披露项目的细节。核能包括裂变能和聚变能，其中裂变能以铀或者钍为燃料；聚变能以氘氚或氘氘为燃料，不产生核废料，但实现难度极高。聚变-裂变混合堆结合了两种核能反应，是核聚变的应用途径之一。聚变-裂变混合堆的概念于1953年提出，最初被认为可以利用聚变中子增殖易裂变核素，并在过程中放大聚变能量输出。此后，也有研究转向了利用混合堆处理乏燃料，属于嬗变堆。乏燃料是经受过辐射照射、使用过的核燃料。在实现条件上，混合堆降低了聚变功率的要求，能显著地降低实现聚变技术应用的难度。但北京应用物理与计算数学研究所计算物理实验室彭先觉、师学明在2009年发表的论文中指出，传统的混合堆研究陷入了一个困境，增殖堆有不扩散的制约，嬗变堆则面临超铀元素装量巨大的困难。2010年，中国工程物理研究院提出Z箍缩聚变裂变混合能源堆，采用近期可获得的聚变技术和较成熟的裂变反应堆技术，具有较高的技术可行性。据《四川日报》2016年报道，Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆的概念设计、关键技术论证已经完成。2015-2025年是关键技术攻关阶段，2025-2035年是分系统集成阶段，2035-2040年期间，力争开建实验堆。核聚核聚变需要用到超导材料。江西电子官网显示，其自2011年起开始投入打造高温超导产业，布局包括高温超导材料、高温超导感应加热器、高温超导磁体类系列产品等，涉及从材料到应用产品到低温配套系统。中核与后者的合作或基于此。联创光电超导成立于2019年，是江西电子成员公司，位于江西省南昌市。天眼查APP显示，江西电子直接持有联创光电超导41.03%的股份，并通过联创光电(600363.SH)间接持有该公司8.32%的股份。联创光电也是江西电子旗下上市公司，直接持有联创光电超导40%的股权。今年4月，联创超导举办世界首台MW高温超导感应加热装置投产仪式。据财联社当时报道，联创超导技术团队总负责人戴少涛表示，该技术的投产不仅是高温超导技术的新里程碑，还是未来商用可控核聚变实现的关键步骤。
截至2024年10月，联创光电“星火一号”项目公司有以下具体进展： 1. 技术研发突破方面： 高温超导集束缆线技术突破：2023 年联创光电完成了这一关键技术的突破，为后续项目开展奠定了基础。D 型超导线圈研制与低温实验完成：2024 年 4 月，完成了基于集束缆线的 D 型超导线圈的研制和低温实验，验证了集束缆线设计与制造工艺的可行性。这标志着联创光电具备了用于大型高温超导磁体的综合性设计和批量化制备能力，为项目所需的大型超导装备研制和产业化提供了技术支持。2. 合作意向与交流方面： 与中核聚变研究院签订合作协议：2023 年 11 月，联创光电与中核聚变研究院签订合作协议，开启了双方在核聚变项目上的合作。与中国核建达成初步合作意向：2024 年 6 月 27 日，中核集团副总工程师、中国核建党委书记、董事长陈宝智在上海会见江西联创光电董事长伍锐一行，双方就共同推进“星火一号”聚变 - 裂变混合示范堆的建设达成初步合作意向。3. 股权结构调整方面： 收购联创超导股权：2024 年 8 月 5 日晚，联创光电宣布以自有资金收购江西省电子集团有限公司所持有的江西联创光电超导应用有限公司 8.00%股权以及共青城智诺嘉投资中心（有限合伙）持有的联创超导 3.00%股权。联创光电对联创超导的持股比例从 40.00%提升至 51.00%，这有利于联创光电对“星火一号”项目的主导和推进。4. 资金支持方面： 政府提供了一定的资金支持，包括 10 亿资金的支持以及 10 亿的贴息贷款，相当于提供了 20 亿的支持，但具体资金的使用和流向还在进一步明确中。5. 专家支持方面： 有 6 位院士和 30 多位专家曾到联创光电，为“星火一号”核聚变混合堆出谋献策。
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