中國的夸父核融合工程

一、中國對國際熱核融合實驗堆（ITER）的貢獻 

   中美科技競爭早已出現在太空發展、半導體、軍事武器、5G通訊、量子科技及高鐵基建上，而核融合發電是中美競技的另一焦點。今年2月，全球最大「人造太陽」ITER計畫與中核集團中核工程主導的中法聯合體簽署真空室模組組裝合約。在成功安裝ITER「心臟」設備後，中核公司成為ITER主機安裝的唯一承包商。1985年，在日內瓦峰會上，美蘇歐日共同啟動了國際熱核聚變實驗反應器計劃，即ITER項目。2007年，此全球最大「人造太陽」正式開工，最初只有美蘇歐日4個成員，後來變成美俄歐日中韓印7個。ITER專案被認為是太空站之後最大的全人類共同合作的專案，計劃於2025年完成建造，2050年將商轉發電。如同國際空間站般，中國在ITER項目上也受到排擠。2003年，加拿大退出，ITER資金缺乏，不得已同意中國加入。中國加入最晚，但ITER最重要的四個安裝節點都是中國完成的。2020年5月，杜瓦底座被成功吊起是第一步。杜瓦底座是ITER託卡馬克裝置中最重要的核心設備，是第一個被安裝的大型組件，承擔著安全屏障的作用。2021年1月，杜瓦底座冷屏（LCTS）吊掛成功，託卡馬克裝置第三個重大零件的安裝完成。2021年4月，極向場超導線圈PF6的成功落位，標誌著中國對ITER核心設備的四聯吊順利完成，也標誌著國際熱核融合實驗堆磁鐵系統的安裝工作全面開啟。PF6線圈是所有ITER超導磁體中最底層的、重量最大的、製造難度最高的超導磁鐵之一，也是決定ITER裝置運行成敗的最重要線圈之一，僅製造就花了七年多，由中科院等離子體物理研究所完成。 

   中核集團所屬西南物理研究所與國際熱核融合實驗堆（ITER）簽署協議後，宣布下一代人造太陽「中國環流三號」向全球開放。「中國環三號」是目前中國最先進、規模最大的核融合裝置，也稱為中國下一代「人造太陽」。多年來，西南物理所深入參與全球最大「人造太陽」計畫ITER關鍵零件研製，共同攻克了許多工程技術難題。「中國循環三號」的開放不僅著眼於解決ITER感興趣的關鍵技術問題，也將增強中國的研發能力和人才培育。中國實驗型先進超導託卡馬克裝置（EAST）是世界上第一個運作的全超導託卡馬克裝置，創造了託卡馬克裝置穩態高約束模式運行的新世界紀錄。ITER總幹事巴拉巴斯基表示中國為國際核融合研究與工程大型計畫ITER做出了重要貢獻，ITER是世界上最大的磁性約束等離子體物理實驗裝置和最大的實驗託卡馬克核融合反應器。中國於2006年正式加入ITER計劃，成為第七個成員。根據協議，中方負責該項目約9%的建設和運營。巴拉巴斯基表示，到目前為止，有一長串由中國提供的關鍵部件。從電力轉換、磁體系統到饋線等。去年4月，中國科學院等離子體物理研究所先進超導託卡馬克實驗裝置實現了穩態高約束等離子體運作403秒，這是聚變反應器開發的關鍵一步。 

二、"夸父逐日" 

    “夸父”工程的正式學名為聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施（CRAFT），位於安徽省合肥市，是中國“十三五”重大科技基礎設施，2018年12月開工。目前，“夸父”園區已交付使用，科研工作者和工程建設者正夜以繼日地工作，預計“夸父”將在2025年底全面建成。它的主要任務是為中國聚變工程實驗堆（CFETR）研究關鍵技術及搭建綜合性研究平台。2023年4月12日，世界首個全超導託卡馬克東方超環（EAST）裝置在第122254次實驗中成功實現了403秒穩態長脈衝高約束模式等離子體運作。在中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所一間宏偉的實驗車間內，有這樣一幅壁畫：天地洪荒的上古世界，巨人「夸父」邁矯健的步伐，努力追逐太陽，夸父逐日的神話故事代表中國人追求自然力量的雄心壯志。巨畫的前方，佇立著一座15公尺高的可控核融合堆主機關鍵系統綜合研究設施1/8真空室及整體安裝實驗平台。這次突破的意義在於高約束模式。託卡馬克裝置等離子體運作模式可以分為H高約束模式、 L低約束模式以及超級I模式等。在高約束模式下，粒子的溫度、密度大幅提升。長時間高約束模式運作為實現可控核融合奠定堅實的物理基礎。ITER裝置是個能產生大規模核融合反應的超導託卡馬克，ITER預計2030年後正式運行，其目標之一就是500WM聚變功率，高約束模式下維持時間超過400秒。此次EAST裝置所取得的重大創新成果，為ITER的運作和中國自主建設運作聚變堆提供了重要的實驗基礎。1965年，四川樂山郊區建起了一個專門從事核融合能源開發的研究機構－二機部585所，即現在的核工業西南物理研究院，中國聚變人從此踏上了研發「人造太陽」的逐夢之旅。 

   1978年9月20日，位於安徽合肥蜀山湖畔的等離子體所正式建立。1994年12月，由蘇聯託卡馬克裝置T-7改造成的超導託卡馬克裝置HT-7首次獲得等離子體，成為中國第一台超導託卡馬克。在此基礎上，等離子體所的科學家又提出了新的升級改造計畫－「HT-7U全超導非圓截面託卡馬克裝置建設」計畫。於2003年10月更名為EAST，中文名為「東方超環」。2006年9月26日，EAST第一次放電成功。EAST是世界上首台全超導託卡馬克裝置，其內部30個超導線圈在極低溫條件下具有零電阻效應，可產生穩態的約束磁場，使高溫等離子體穩態運作成為可能。在EAST高11公尺、直徑8公尺的主機中，整合了超高溫（億攝氏度等離子體）、超低溫（-269攝氏度超導線圈）、超高真空（大氣壓力的千億分之一）、超強磁場（地磁場的數萬倍）、超大電流（一般插線盒的千倍以上）五大極限工況。中國花了10年的時間，建成世界首個全超導託卡馬克裝置。其後又花了15年的時間，先後實現了1兆安、1億度和1000秒三大科學目標。中國工程院院士李建剛說，“東方超環是由中國科學家和工程技術人員設計70%的關鍵設備、關鍵儀器，整個裝置的國產化率達到了90%”。目前，下一代「人造太陽」中國聚變工程實驗堆已完成工程設計，未來中國將瞄準建造世界首個聚變示範堆。EAST大科學工程團隊憑藉著堅硬的實力，走向世界聚變舞台的中央。EAST裝置實驗數據對全球開放共享，全球合作者可無障礙遠端參與。 “夸父”的使命艱鉅，在寬闊的廠房裡，來自170多家國內外合作單位的1000多名建設者正奮力攻關一系列科研與工程技術難題，力爭實現這些目標——國際上時間最長的百秒量級強流負離子束引出，運行溫度最高、研究功能最完整的鋰鉛實驗平台，規模最大的Nb3Sn線圈熱處理系統。中國科學院合肥物質科學研究院副院長、等離子體物理研究所所長宋雲濤說，基於幾代人的持續學習、研究、創造，EAST的國產化率超95%，關鍵設備、材料實現自主研發，而「誇父」的國產化率將提升到100%。目前，“夸父”的建置進一步提速，科學研究人員凝心聚力，計畫於2025年底全面建成國際磁約束聚變領域參數最高、功能最完整的研究平台。“夸父”是不到3平方公里的科學島，卻是多個國際前沿科學研究領域的攻「尖」之地，分佈著中國科學院7個研究所，在核融合能源、強磁場、大氣光學、抗癌藥等方面多次取得重要突破。近期，科學島上接連傳來好消息。在鈣鈦礦太陽能電池研發上獲得重要發現，研發出世界首台特斯拉級鐵基超導線圈，針對急性髓性白血病的創新標靶藥物研發加緊推進。科學島所在的合肥市，量子計算原型機「九章三號」再度刷新世界紀錄，超導量子電腦「本源悟空」為全球用戶完成10萬多個運算任務，國際先進的第四代「合肥光源「加緊建設。這座島、這個城市是中國創新創造的集中縮影。 

三、中國新聚變能源公司將集中資源打造“人造太陽” 

    根南華早報報導，中核集團副總經理曹樹東稱“可控核聚變作為應對全球能源挑戰的理想解決方案，已成為大國科技競爭的前沿。”中國需要發展“高品質的能源產業”，可以透過利用中央管理體系將國家資源和產業投入集中到重點項目上來實現這一目標。中國聚變能源有限公司將分散的研發力量集中在關鍵技術領域。SWIP 和 IPP 是聚變研發領域兩個主要的中國國家力量。這兩家公司的主要目標是加速聚變能的商業化，而不是僅僅專注於技術研發。核聚變可以提供安全、清潔和幾乎無限的能源。核聚變不存在與核分裂相關的麻煩的長壽命放射性廢物，也不會導致全球暖化。受控核融合有多種途徑，但世界上大多數科學努力都集中在「磁約束」技術上，該技術在稱為託卡馬克的巨型甜甜圈形反應器中加熱和壓縮等離子體。由於核聚變的能源前景良好，世界各國不斷投入資金進行核融合研究。中國是世界領先的參與者之一，根據東京研究公司 Astamuse 的研究，2011 年至 2022 年間，中國申請的核融合技術專利數量超過其他國家或地區。中國還計劃在2035年建造工業原型聚變反應堆，並在2050年使該技術實現大規模商業應用。 

   隨著中國的科學家和企業家在聚變能源方面進行大量投資，中國正在成長為積極的聚變研究中心。中國有兩個主要的聚變企業推動科學進步和投資：政府資助的合肥物質科學研究院等離子體物理研究所的研究和新奧集團私人資助的聚變研究。在合肥，政府資助的科學家正在運行最近升級的實驗性先進超導託卡馬克裝置（EAST）。在過去的一年裡，EAST裝置創造了世界紀錄，將1.2億攝氏度的等離子體溫度保持101秒，將1.6億攝氏度的等離子體溫度保持20秒，這些成果被視為聚變裝置的巨大成功，展現了中國研究團隊的科學實力。由於EAST的成功，中國正加強其聚變項目，增加資金並計劃開發後續聚變項目，例如中國聚變工程試驗堆（CFETR）。該裝置的初步概念設計於2015年完成，工程設計於2017年啟動。中國科學家將CFETR視為繼中國參與的法國跨國ITER項目之後的下一步作為示範大規模聚變發電的可行性。新奧集團是一家中國能源公司，新奧能源研究所是新奧能源的一個子機構，成立於 2006 年，是新奧緊湊型核融合計畫的所在地。他們有兩個獨立的聚變項目：一個名為 EXL-50 的球形託卡馬克和一個場反轉配置的賀龍實驗。