中國科技2020｜「人造太陽」的中國力量 人類終極能源還有多遠
2020年年終的中共中央經濟工作會議上，政府為2021年發展重點部署八大任務。這場中共高層官員的工作會議，不僅將「強化國家戰略科技力量」列為下一年經濟發展首要任務，且坦言要通過舉國體制優勢發展高科技，「盡快解決一批『卡脖子』問題」。顯然，在高科技領域的全球競爭中，中國要提高自己的話語權。
回看2020年，中國在探月工程、火星探測、衛星導航、載人深潛、量子研究、數據庫技術替代、核聚變技術國際參與以及中微子實驗和晶片製造等領域，均有亮眼表現或國家戰略部署。這些領域的科技研究，對應着怎樣的現實意義？中國的競爭優勢和現實挑戰格局如何？下一步的發展方向又在哪裏？
太陽是距離人類最近的恒星，實際上就是一個超級核聚變反應堆，其內部每秒就有6億噸氫通過聚變反應轉化為氦，在這個過程中大約有420萬噸的淨能量釋放到宇宙中，相當於3.78×10^26焦耳的能量。地球僅從中獲得了22億分之一1.72×10^17焦耳，相當於每秒約19公斤的淨能量釋放，就造就了宜居的地球生態系統，可見核聚變能源之強大。
相比煤炭、石油、天然氣等化石能源，太陽能等清潔能源，乃至同為核能源的裂變能源，核聚變能源在能量密度、環保等方面優勢明顯。以一座裝機100萬千瓦的發電廠為例，使用煤炭，每年需要250萬噸，需要100節編組的火車250列運輸；使用燃油，每年需要11萬桶石油，需要11艘超級油輪運輸；使用裂變反應堆，每年消耗28噸二氧化鈾；使用太陽能，則需要5,000英畝土地及儲能空間；使用核聚變反應堆，僅需要400磅氘與600噸氚，1,300磅鋰-6就能滿足需要，一輛小轎車就能運輸。
與此同時，以煤炭、燃油為燃料，每年將產生數千萬噸的廢氣，人類對空氣污染、温室效應早已不能容忍；核裂變則將產生28噸高放射性廢物，目前全球核廢料處理以填埋為主，處理能力早已飽和，這些核廢料填埋數萬年後對人類仍有害；而核聚變僅產生900磅氦氣，對環境零污染。
更為重要的是，相比煤炭、石油、天然氣等化石能源的儲量有限，太陽能、風能等清潔能源的能量密度低，核聚變能源在具備極高能量密度的同時還具備幾乎無限的儲量。一升海水中的氘通過核聚變反應所釋放出的能量就相當於300升汽油，僅海水中就有超過45萬億噸氘，釋放的能量足夠人類使用上億年。正因為如此，核聚變能源被視為人類的「終極能源」，所謂受控核聚變實際上就是在地球上模擬太陽內部的核聚變反應，因而被稱之為「人造太陽」。
美國國家點火裝置與中國神光
受控核聚變技術由兩大難點，一是如何激發核聚變，氫彈是以原子彈爆炸形成的高温高壓觸發聚變反應，顯然無法應用於受控核聚變；一是核聚變觸發後如何控制，使核聚變在人類控制下提供能源，而不是像氫彈一樣釋放毀滅之力。此外，地球上任何材料都無法承受核聚變所需的高温高壓。
經過幾十年的發展，目前世界受控核聚變研究主要有兩大技術分支，一是慣性約束聚變（ICF）的路線，一是磁約束聚變（MCF）的路線。其核心在於，通過慣性約束或磁約束，令核聚變在裝置內部發生的同時，整個裝置運行於可承受的温度乃至於超低温中。對於中國而言，無論是慣性約束還是磁約束，都有研究機構在持續發力，兩條腿走路。
所謂慣性約束，即利用激光的衝擊波使通常包含氘和氚的燃料球達到極高的温度和壓力，進而在燃料球內部「點火」引發核聚變反應。基於由激光直接引發聚變反應的方式，慣性約束研究結果可以被用於製造純聚變核武器，因而大多由各國的核武器研究機構負責慣性約束研究，比如美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）、中國工程物理研究院，各國之間的交流與合作極少。
美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室建造的國家點火裝置（NIF）是當今世界能量最高的慣性約束聚變實驗裝置，容納NIF裝置的建築物長215米，寬120米，相當於三個足球場，可以將200萬焦耳能量通過192條激光束聚焦到一個點上。目前，NIF成功實現了「能量增益」，即核聚變反應產生的能量首次超過了燃料吸收的能量，也證明了使用強大脈衝激光「點火」實現人工熱核聚變的可行性。
中國工程物理研究院與中國科學院上海光學精密機械研究所2015年建成的「神光-Ⅲ」裝置，是僅次於美國NIF的世界第二大激光驅動器，具備10萬焦耳級ICF實驗能力，能量更高的「神光Ⅳ」研製已在計劃中。此外，俄羅斯、法國等都在建造類似的高能激光裝置。
美國國家點火裝置詳解（點擊查看高清大圖）：
目前，ICF技術路線仍前路漫漫，與之相比磁約束核聚變路線前路要光明許多，堪稱當代核聚變研究領域的顯學。磁約束核聚變目前集中在託卡馬克（Tokamak）技術路線，託卡馬克裝置最早由蘇聯庫爾恰托夫研究所的伊戈爾．塔姆（Igor Tamm）、安德烈．薩哈羅夫（Andrei Sakharov）、列夫．阿齊莫維齊（Lev Artsimovich）等人在上世紀50年代發明。1968年，第三屆等離子體物理及受控核聚變研究國際會議上首次發表研究成果——高達1KeV的等離子體被約束幾毫秒就震驚世界，打開了磁約束核聚變研究的新世界。
ITER國際大協作與中國三步走戰略
託卡馬克裝置中央是一個環形的真空室，外面纏繞着線圈，通電時託卡馬克內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的温度，以達到核聚變的目的。經過幾十年的研究，目前託卡馬克裝置已經發展到超導託卡馬克階段，並不同於ICF技術路線的敝帚自珍，自1950年代以來就國際合作與交流不斷。上世紀80年代，美國、蘇聯、歐盟、日本就曾發起國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）建設計劃，後因預算等問題作罷。
2006年，中國、美國、俄羅斯、印度、日本、韓國及歐盟簽署ITER計劃，將在法國南部卡達拉舍建設一個超導託卡馬克型聚變實驗堆，探索和平利用聚變能發電的科學和工程技術可行性。據瞭解，ITER將成為世界第一個電站級別的聚變實驗堆，是最終實現磁約束聚變商業化必不可少的一步，這也是中國首次以平等夥伴身份參與的最大國際合作項目。
國際熱核聚變實驗反應堆詳解及分工（點擊查看高清大圖）：
根據計劃，中國、美國、俄羅斯、印度、日本、韓國各承擔約9%的預算共計65%，歐盟作為設施主辦方提供剩餘45%的預算，建造所需的組件由七大成員研發製造。比如，印度負責製造低温恒定器，美國負責中央螺旋管，韓國與歐盟負責真空容器，磁體中的環向場線圈由中國、韓國、俄羅斯提供部件日本、歐盟製造，極向場線圈由中國、俄羅斯、歐盟製造等。建築及土木工程由歐盟負責，中國核工業集團也曾聯合法國公司成功中標託卡馬克主機TAC-1安裝標段工程合同，於2020年5月28日成功完成低温恒定器底座安裝。預計ITER將於2021年完成建設階段，同年開始啟動反應堆，並於2025年開始等離子體實驗，2035年開始進行全氘-氚聚變實驗。
在參與ITER項目國際合作的同時，中國國內磁約束核聚變研究也同步進行，其主要負責單位包括位於安徽合肥的中國科學等離子體物理研究所、四川成都的中國核工業集團西南物理研究院等。中國科學等離子體物理研究所2005年建成的先進實驗超導託卡馬克實驗裝置（EAST），是世界第一個全超導磁體託卡馬克核聚變反應試驗性裝置，2006年成功實現放電，2018年首次實現加熱功率超過10兆瓦、等離子體儲能增加到30萬焦耳、等離子體中心電子温度首次達到1億攝氏度。
2020年12月4日，中國目前規模最大、參數最高的先進託卡馬克裝置中國環流器二號M（HL-2M）在西南物理研究院建成並首次放電，標誌着中國自主掌握了大型先進託卡馬克裝置的設計、建造、運行技術。
事實上，中國科學等離子體物理研究所、中國核工業集團西南物理研究院作為中國受控核聚變研究的主要單位之一，同時也是中國參與ITER項目的主力與組件分包商，通過參與ITER項目帶動了國內相關學科和產業的發展。據中國核聚變領域研究人員披露，在很長一段時間裏，美國、日本及歐盟在國際受控核聚變研究中保持明顯優勢屬於第一集團，中國在過去20年裏發展迅速，被視為第二集團中崛起追快的國家，已經躋身第一集團。
類似於ITER的「未來中國聚變工程實驗堆（CFETR）」已經在規劃中，計劃分三步走完成受控核聚變研究之路。第一階段到2021年，CFETR開始立項建設；第二階段到2035年，計劃建成聚變工程實驗堆，開始大規模科學實驗；第三階段到2050年，聚變工程實驗堆實驗成功，建設聚變商業示範堆，完成人類終極能源。目前，國際社會普遍預期也是2050年實現受控核聚變。