【文/杰瑪·康羅伊，翻譯/陳佳芮，校對/郭涵】

今年二月一個(gè)寒冷的清晨，位于合肥的中國科學(xué)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(jié)即將來臨，城里的大多數(shù)人都忙著準(zhǔn)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(diǎn)綴著星形紅色霓虹的控制室里，等離子體物理學(xué)家龔先祖正在馴服一頭與眾不同的“火龍”。

這頭“火龍”是一個(gè)核聚變反應(yīng)試驗(yàn)裝置，即全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）。這個(gè)托卡馬克裝置形似一個(gè)甜甜圈，能夠產(chǎn)生與驅(qū)動(dòng)恒星能量相同的核反應(yīng)。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(zhì)）的加熱環(huán)路限制在比太陽核心溫度更高的環(huán)境中，迫使原子產(chǎn)生核聚變并釋放能量。若能將熾熱、不穩(wěn)定的等離子體維持在足夠穩(wěn)定且可控的狀態(tài)、持續(xù)足夠長的時(shí)間，便幾乎可以產(chǎn)生無限量的清潔能源，這是一項(xiàng)尚待實(shí)現(xiàn)的壯舉。

中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）視頻截圖

駕馭不穩(wěn)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(shí)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(lián)合環(huán)狀反應(yīng)堆（JET）在去年關(guān)閉前曾是世界上最大的核聚變研究設(shè)施，那里每日僅能完成20到30次加熱。作為全超導(dǎo)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置物理實(shí)驗(yàn)總負(fù)責(zé)人，龔先祖表示：“我們幾乎沒有周末，也沒有假期?！?

盡管全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置只是通往引發(fā)廣泛期待的核聚變發(fā)電站的一塊跳板，但這樣的設(shè)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(shí)驗(yàn)裝置是耗資220億美元建造的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），這個(gè)位于法國南部的龐大托卡馬克裝置正在建設(shè)中，中國也參與了該項(xiàng)目。近年來，美國與其他地方的雄心勃勃的企業(yè)已籌集數(shù)十億美元建造自己的反應(yīng)堆，他們聲稱將在政府主導(dǎo)項(xiàng)目之前展示出實(shí)用的核聚變能力。

與此同時(shí)，中國正迅速向核聚變研究領(lǐng)域投入大量資源。中國政府的“十四五”規(guī)劃將關(guān)鍵核聚變項(xiàng)目的綜合研究設(shè)施列為國家科技基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的重大優(yōu)先事項(xiàng)。

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

麻省理工學(xué)院（MIT）的核科學(xué)家丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）表示：“在核聚變研究領(lǐng)域，中國已從25年前的無名之輩發(fā)展為擁有世界級水平的國家?！?

盡管還無人能預(yù)見核聚變發(fā)電站是否具有可行性，但中國科學(xué)家已制定了雄心勃勃的時(shí)間表。到本世紀(jì)30年代，即國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆啟動(dòng)主要實(shí)驗(yàn)之前，中國計(jì)劃建成中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR），目標(biāo)是產(chǎn)出一吉瓦的聚變能量。根據(jù)2022年制定的發(fā)展路線圖，若該計(jì)劃順利實(shí)施，人類有望在未來幾十年內(nèi)迎來第一座核聚變發(fā)電站的誕生（J. Zheng et al. The Innovation 3, 100269; 2022）。

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

建造人造太陽

自20世紀(jì)50年代以來，科學(xué)家們一直在嘗試讓核聚變反應(yīng)堆能夠運(yùn)作。其基本原理是將兩個(gè)帶正電荷、相互排斥的氫原子核合并成一個(gè)更大的氦原子核。在太陽內(nèi)部，引力產(chǎn)生的巨大壓力足以實(shí)現(xiàn)這一過程；而在地球上則需要高溫和強(qiáng)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(yīng)維持足夠長的時(shí)間，以產(chǎn)生相比引發(fā)核聚變反應(yīng)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(diǎn)火裝置（NIF）研究人員宣布取得了突破性進(jìn)展，他們在短時(shí)間內(nèi)回收了相比投入的燃料更多的聚變能量。美國國家點(diǎn)火裝置使用托卡馬克裝置的替代設(shè)計(jì)，向氫同位素氘和氚的微小顆粒發(fā)射192束激光，引發(fā)了它們的聚變反應(yīng)。然而，用于操作激光的能量遠(yuǎn)超過向目標(biāo)輸送的能量。

許多研究人員認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)核聚變能最可行的方法是利用托卡馬克裝置來約束一個(gè)持久的“燃燒等離子體”，其中，聚變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量足以維持其燃燒。國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的目標(biāo)之一，也是建設(shè)核聚變發(fā)電站的一般先決條件便是創(chuàng)造一種燃燒等離子體，其產(chǎn)生的能量是輸送給等離子體的十倍。

若科學(xué)家能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，核聚變技術(shù)將提供一種比傳統(tǒng)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(chǎn)生的放射性廢料，其危害性可能持續(xù)數(shù)千年。而聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢料則壽命較短。其另一大安全特點(diǎn)在于，如果等離子體降至一定溫度或密度以下，聚變反應(yīng)就會自行停止。此外，預(yù)計(jì)核聚變過程將比核裂變更高效；國際原子能機(jī)構(gòu)指出，每千克燃料產(chǎn)生的聚變能是裂變能的四倍。

中核集團(tuán)中核工程牽頭的中法聯(lián)合體是目前國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目主機(jī)安裝的唯一承包商。“中核集團(tuán)”微信公眾號

對中國而言，這是一個(gè)極其誘人的前景。在2020年至2022年期間，中國部分地區(qū)因寒冬時(shí)節(jié)電力需求的激增而出現(xiàn)大規(guī)模停電。盡管可再生能源領(lǐng)域發(fā)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(jì)劃在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，但其能源需求將在未來三十年內(nèi)翻一番。等離子體物理學(xué)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(dòng)創(chuàng)新、減少碳排放，這是我們的夢想。核聚變能源可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?！?