中國的核聚變發展攸關中美爭霸

一、核聚變對人類永續生存非常重要

   台灣的核能科技已脫離世界主流，廢核政策將帶給台灣缺電、無法達成碳中和目標及世界先進科技遺忘台灣的後果。事實上人類火箭上了太空後會發現只有太陽能及核能可長期使用，而太陽的能量也是來自於核融合(聚變)反應。物理上，核分裂或核融合都會放出巨大的能量，核分裂需要特殊的可分裂物質如鈾235同位素，但地球上的鈾礦有限，而核融合的原料可從海水中氫的同位素氘獲得，可以無限供應，但核融合的控制技術很難，所以核能的應用需要循序漸進，一般分為核分裂、快滋生及核融合三步驟，台灣目前的核電廠都是採用核分裂反應，但鈾原料中大部分是不能作分裂反應的鈾238，未充分利用鈾資源，於是用快中子將不能分裂的鈾238轉換成可分裂的鈽239，這就是快滋生反應器，分裂式反應器只能使用二百年，快滋生反應器可延長核電受命逾千年，當然核融合反應器可永續使用。人造太陽是是以超導磁場約束離子，通過能波加熱，讓等離子氣體達到上億度的高溫，發生核融合(核聚變)的科學裝置。世界人口數量已逾81億，能源的爭奪已成世界各國生存的法則。無論是傳統的煤炭、石油、天然氣等化石能源，還是風能、水力及生質能都來自太陽能，而太陽能是來自其內部的核融合反應，人類當然可以模仿太陽產生能量的原理，研發可控制的核融合技術。

    托卡馬克裝置是一種核融合反應器，其概念從 1950 年代開始成形，為俄語「環形真空磁線圈」的縮寫。在其中極高溫的電漿被磁場約束和加壓，以進行核融合反應。國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃於2006年誕生，ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的超導托克馬克，由中國、美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國和印度七方參與，中國製造的核融合反應器「人造太陽」，將於 2020 年啟用。研究人員表示，此設備將能達到攝氏 2 億度，此溫度大約是太陽核心溫度的 12 倍。如此高的溫度能產生核融合反應，並釋放出能量。中國的“人造太陽”裝置東方超環EAST率先實現一億度的超高溫，實現了101.2秒穩態長脈衝高約束等離子體運行，在聚變這個全球競爭的科學頂峰攀登賽中，一直保持著領先。中國等離子體研究所的“人造太陽”裝置實現加熱功率超過10兆瓦、等離子體儲能增加到300千焦耳、等離子體溫度首次達到1億度，為人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要技術基礎。東方超環（EAST）是等離子體研究所自主設計、研製並擁有完全知識產權的磁約束核聚變實驗裝置，是世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克，也是中國第四代核聚變實驗裝置，它的科學目標是讓海水中大量存在的氘和氚在高溫條件下，像太陽一樣發生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源，所以也被稱為“人造太陽”。

二、中國大陸對國際熱核聚變實驗堆（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。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(ITER)計劃。2007年，此全球最大「人造太陽」正式開工， ITER專案被認為是全人類共同合作的能源項目。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。國際熱核聚變實驗堆(ITER)是全球最大的可控核融合實驗堆，承載著人類和平利用核聚變能的美好願望。中國對ITER貢獻極大，2019年9月30日，ITER計畫TAC-1安裝合約與中核公司簽訂，開啟了中國核能企業進軍歐洲市場之路。TAC-1是ITER專案最大的安裝工程合同，其重要性相當於核電站的反應器或人體的“心臟”，主要負責託卡馬克裝置週邊核心設備安裝工作，包括杜瓦、冷屏、磁鐵系統、冷卻水系統、超導饋線系統等。2020年5月，杜瓦底座被中國團隊成功吊起。杜瓦底座吊裝成功標誌著ITER工程由土木工程轉入全面安裝階段。ITER組織總幹事彼得羅稱中國在技術和人力方面為ITER作出巨大貢獻，中國擁有最強大的高技能建設隊伍。2021年1月，杜瓦底座冷屏吊掛成功，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F6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。中核集團中國核電工程有限公司牽頭的中法聯合體，順利完成核聚變發電裝置安裝的第一階段。2024年2月，中法聯合體簽署真空室模組(SMSA)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。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。

   中核集團所屬西南物理研究所與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。到目前為止，中國提供了一長串的關鍵部件，從電力轉換、磁體系統到饋線等。2023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。

三、中國揭示核融合技術突破

   依據今日俄羅斯網站報導，中國大陸的私人核聚變公司上海能量奇點公司已經建造了世界上第一個全高溫超導託卡馬克裝置，並用它來生產等離子體。該裝置位於上海稱為HH70，被視作開發聚變技術以產生清潔能源的重要一步。託卡馬克是一種甜甜圈形狀的限制裝置，能夠容納等離子體，因此可以提高其溫度以複製與太陽類似的條件。其目標是創造安全且幾乎無限的電力供應。據中國媒體報道，開發商稱，HH70 託卡馬克裝置比其前身更小，組裝成本也更低。該設備使用由高溫超導材料製成的磁性系統，通常稱為 REBCO（稀土鋇銅氧化物）。據報導，它可以大規模生產，從而降低能源奇點託卡馬克的成本。此外，據該公司稱，HH70 裝置的尺寸僅為傳統託卡馬克裝置的 2%，這在生產商業上可行的裝置的競賽中提供了重大優勢。聚變反應器的表現通常使用 Q 值來衡量，Q 值表示產生的能量與保持反應進行所需的輸入能量的比率。目前託卡馬克所獲得的最高Q值為1.53。據報道，Energy Singularity 承諾在 2027 年將建造下一代託卡馬克裝置，其技術演示將於本世紀末完成。該公司的目標是建造Q值為10的「人造太陽」 。

   致力於可控核融合能源商業化的上海能量奇點公司宣布，其設計研發建造的「洪荒70」裝置成功實現等離子體放電。這意味著，全球首台全高溫超導託卡馬克裝置的工程可行性已獲得驗證。上海於2022年9月率先發表未來智慧、未來能源等五大未來產業高地行動方案，可控核融合就屬於未來能源範疇。「洪荒70」裝置具有自主智慧財產權，國產化率超過96%，磁體系統全部採用高溫超導材料加工建造。能量奇點CEO楊鑷稱目前全球雖已建造了100多台託卡馬克裝置，但「洪荒70」用高溫超導材料建造託卡馬克裝置來控制和約束等離子體，此前無先例可循。據悉，該公司選擇這條全新技術路線，旨在大幅降低裝置尺寸，加速實現聚變能源的商業化，該技術路線是全球吸引市場化資金最多的聚變能源研發方向。在過去兩年中，能量奇點團隊遇到了多重挑戰，包括探索高溫超導磁體的繞製、絕緣、浸漬、組裝等工藝，確保將高溫超導帶材加工成磁體後性能不衰減，也包括製備電阻值在納歐等級的高溫超導磁鐵接頭，以及自主研發控制高溫超導託卡馬克裝置運作的中央控制系統等。受益於上海完整的核電產業群聚和高溫超導材料產業集群，自2022年3月啟動設計以來，能量奇點在兩年內完成「洪荒70」的設計和建造，實現全球全高溫超導託卡馬克裝置研發建造的最快紀錄。繼「洪荒70」後，下一代託卡馬克裝置「洪荒170」已在物理設計階段，該裝置以實現氘氚等效能量增益大於10為目標，預計2027年建成。