中國的核聚變發展加速

一、中國可控核融合商業化研究加速

 

   核融合作為一種清潔能源一直是人類追逐的一個夢想，其過程與太陽產生能量的過程類似，科學家希望利用這種聚變來獲取幾乎取之不盡的能量。然而，這項技術卻面臨科學和工程的巨大挑戰，核融合的基本科學原理是，將氫的兩種同位素－氘和氚的原子核在極高溫度和壓力下聚合在一起，觸發核聚變反應，釋放出巨大的能量。根據經濟觀察報報導，2021年起，全球的核融合投資快速成長，中國可控核融合商業化也呈現加速態勢。目前，中國在核融合領域形成兩大國家計畫和多家商業公司並行的局面。2024年6月，中國可控核融合商業化領域迎來了三項進展：兩家商業公司－陝西星環聚能科技公司和能量奇點能源科技公司的核融合裝置實現了重要突破。位於合肥的核融合企業，成立一年的聚變新能公司，完成了新一輪增資，成為中國註冊資本規模最大的商業核融合公司。從上世紀60年代開始，各國不斷在可控核融合領域進行投入。近年來，多國可控核融合逐步從實驗堆邁入工程堆階段。在創新技術的加持下，緊湊型的核融合設備得到初步驗證，也為商業公司和社會資本進入這一領域提供了可能。可控核融合離商業化還有「三個堆」的距離，即實驗堆、工程堆和商業堆。國際原子能總署預計，到2050年世界第一座核融合發電廠預計將建成並投入運作。但美國商業公司Common—wealth Fusion Systems(CFS)計劃在2030年建成第一座聚變發電廠。2021年9月，以美國麻省理工學院支持CFS公司首次將高溫超導材料製成磁鐵加入核融合實驗裝置，此磁體性能最高場強達20特斯拉，高於ITER裝置中預計使用的5.3特斯拉額磁場強度。超導磁體是磁約束可控核融合中託卡馬克裝置的關鍵組成部分之一，幾乎佔託卡馬克成本的一半。

   在過去70年的發展過程中，核融合一直被視為人類的終極能源。然而，這項實驗的技術複雜度和整合度非常高，從1960年代起，託卡馬克就是各國推動可控核融合實驗的主要設備。託卡馬克主要由環形真空室、產生磁場的線圈和其他輔助設施組成，在上世紀80年代，美國、日本、韓國、歐盟等經濟體相繼投入了大型託卡馬克設備，中國的東方超環EAST也在2006年完成放電實驗。中國在可控核融合領域的關鍵技術領域保持了競爭力。可控核融合是高溫超導材料的目標市場之一，需要供應鏈的支撐。核融合產業鏈包括上游原料供應到中游技術研發、設備生產製造及下游核電應用等。中國的工業生產能力和產業鏈基本上能夠滿足可控核融合的產業需求，部分領域存在一些技術瓶頸。美國華爾街日報稱中美在核融合領域正上演一場高科技競爭。隨著中國在核融合領域的投入超過美國，中國工作人員日以繼夜推進相關項目，美國愈發擔心將逐漸喪失在該領域的早期領先優勢。中國對核融合的投入超過了美國，建成了一個龐大的核融合技術園區，並已啟動可控核融合創新聯合體，其中包括一些產業巨頭。為了完成核融合項目，中國的科學研究團隊三班倒地工作，幾乎晝夜不停。這個亞洲大國在相關科學和工程領域擁有的博士數量遠超越美國。

 

二、合肥科學島的人造太陽研究

 

   在安徽省合肥市西郊的董鋪水庫上，有一座被稱為「科學島」的內陸小島。它是中科院合肥物質科學研究院所在地，不到3平方公里的面積，已湧現出一批世界級重大科技成果，先後建設、運作包括全超導託卡馬克核聚變實驗裝置（EAST，中文名「東方超環”）在內的多個大科學裝置。EAST是科學島上當之無愧的“明星”，託卡馬克是一種利用磁約束實現可控核聚變的裝置，因為原理類似太陽燃燒的機制，因此被稱為“人造太陽”。1973年，中國科學院在科學島上開啟了關於託卡馬克的實驗。2006年，EAST建成運作。十多年來，合計超過萬人次的科研工作者，在這個大科學裝置上合力衝擊「人造太陽」的夢想。 2021年，EAST先後成功實現可重複的1.2億度101秒、1.6億度20秒、1056秒長脈衝高參數等離子體運行，刷新了多項世界紀錄。此外，從2006年起，科學島代表中國躋身國際熱核融合實驗堆計畫（ITER計畫），在這個由國際七方、30多個國家合作的國際大科學工程計畫中，中國負責近10%的科研任務，其中科學島承擔了中方任務的73%。除了EAST以外，科學島上的穩態強磁場實驗裝置也同樣矚目。2017年9月，穩態強磁場實驗裝置通過驗收並投入使用，到目前已運行超過50萬個機時，為國內外170多家科教機構提供了實驗條件，支持科研人員在物理、化學、材料、生命、工程技術等領域進行3000多項前沿研究，取得了一系列重要科學研究突破。從已建成的EAST、穩態強磁場到建設中的“聚變堆主機關鍵系統”，再到規劃中的“強光磁”“大氣立體觀測塔”，科學島藍圖中的大科學裝置將達到5座。器創新研究院，將探討突破性種質資源培育與智慧育種。

 

   在合肥科學島有一個全超導託卡馬克核聚變實驗裝置，簡稱EAST，也被大家親切地稱作人造太陽。中國人造太陽實驗總負責人龔先祖，正帶領團隊衝擊一項新的世界紀錄——超過1億度1000秒穩態長脈衝高約束模等離子體運行，這是聚變研究從基礎研究邁向工程實踐的重要一步。 1970年代，中國剛開始啟動可控核融合應用研究時，實驗裝置一片空白，40多年後，中國人造太陽已經創造了10多個世界紀錄。EAST作為中國重大科技基礎設施，1998年立項，隨後的八年間，與國內科研院所、高校企業多方聯合，克服了人才缺、資金少、技術薄弱等一系列困難，到2006年，建成了國產化率超過80%，國際領先的EAST，中國人開始在具有自主智慧財產權的核融合能實驗裝置上進行各項實驗，目前EAST在長脈衝穩態運作方面處於世界領先地位。截至目前，中國「人造太陽」已累計進行實驗14萬多次。 2023年4月，龔先祖和他的團隊衝刺一項新的世界紀錄，就是穩態高約束模式等離子體運行400秒。2023年4月12日21點，龔先祖和他的團隊終於成功實現了穩態高約束模式等離子體運行403秒，刷新了2017年他們創造的101秒的世界紀錄，朝著「人造太陽」的夢想又向前邁進一大步。國際熱核融合實驗堆ITER科學家理查德皮茨稱，EAST是一個非常好的裝置，對ITER的科學家有很大幫助。同時，中國聚變能的相關發展也給ITER的科學家一個很大的震撼，對國際核融合研究來說是一個非常好的標竿。眼下，在合肥科學島西北面的不遠處，比「人造太陽」更先進的聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施園區已經拔地而起。等離子所一代又一代的研究工作者，身為勇敢的登攀者，正接力創新、勇攀高峰，讓「人造太陽」一步步從夢想變成現實。

 

三、混合驅動方案為核融合能研究開啟一扇新大門

 

   目前，要在地球上實現可控核融合能，主要有磁性約束和慣性約束兩大路線。雷射驅動慣性約束聚變長期以來一直沿用直接驅動和間接驅動兩種方案。前者依靠雷射直接加熱含氘氚燃料靶球外殼(燒蝕層)表面，產生高溫高壓，內爆壓縮燃料到高密度，並在局部產生高溫實現點火，在向球心運動慣性支持下，完成自持熱核燃燒放出大量聚變能;後者則是將靶球放置在一個原子序數較高的元素(高Z元素)金屬壁黑腔中，雷射從入射孔照射到腔體內壁，被吸收後轉換為高溫輻射(熱X射線)。高溫輻射快速加熱標靶球燒蝕層表面，產生高溫高壓，形成類似直接驅動的燃料內爆壓縮和點火燃燒過程。不久前，採取間接驅動方案的美國國家點火裝置(NIF)，用2.05兆焦耳能量再一次在實驗中實現了能量增益(輸出聚變能與輸入激光能量之比)約2.53的聚變能輸出點火演示，這也是目前實現能量增益最大的點火演示，證實了雷射慣性約束聚變的科學可行性。慣性約束聚變除了可用於聚變能研究，其衍生出的高能量密度科學對基礎研究、國防科技等領域同樣具有重大價值。特別是其提供的極高驅動壓力，可為極端條件下物質性質和運動規律研究提供重要條件，為高新技術研發提供重要基礎。

 

   直接驅動方案和間接驅動方案有一個共同的不足之處，即當雷射或輻射能量作用到靶球表面被吸收時，產生的高溫高壓等離子體會快速向外膨脹，導致輻射燒蝕面上的密度急劇下降，驅動壓力不足。在混合驅動方案中，用於實驗的雷射分為間接和直接入射兩種，作用過程可分為兩個階段。第一階段，先用傳統的間接驅動方法提供高溫輻射，對燃料進行預壓縮。同時，靶球燒蝕面快速膨脹的等離子體在冕區遠處產生一個臨界面。在第二階段，間接驅動雷射繼續提供高溫輻射，進一步預壓縮燃料。其間，在適當時機，另一部分直接驅動雷射入射到臨界面附近，被吸收後轉換成超音波電子熱波，然後再慢化為等離子體壓縮波，將燒蝕面上不斷燒蝕下來的低密度等離子體等溫壓縮成高密度等離子體。採用這種方法，便可以成功將高溫、低密度的間接驅動壓力改造成高溫、高密度的混合驅動壓力。