氘-氚 （D-T）的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生氦（He）與中子（n），期間釋放出的核能，在核聚變發(fā)電中具有較大的反應(yīng)截面以及較低的粒子能量需求，是目前考慮中的未來(lái)主要能源。（圖片來(lái)源：維基百科）

人類對(duì)核聚變的認(rèn)識(shí)始于上世紀(jì)中葉。

1952年，世界上第一顆氫彈成功試爆，讓人類認(rèn)識(shí)到氘氚核聚變反應(yīng)的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應(yīng)，不能提供穩(wěn)定的能源輸出。

從此，科學(xué)家們便致力于在地球上實(shí)現(xiàn)人工控制下的核聚變反應(yīng)（即可控核聚變），希望利用太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類鋪展能源自由之路。

然而，要在地球上實(shí)現(xiàn)可控核聚變，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

太陽(yáng)可以依靠其巨大的質(zhì)量產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場(chǎng)，將氫氣壓縮到極高的溫度和密度，從而實(shí)現(xiàn)核聚變。但在地球上，我們無(wú)法復(fù)制這種條件。

科學(xué)家們提出了多種方案，其中最有前途的是磁約束核聚變，即利用強(qiáng)大的磁場(chǎng)將高溫等離子體（電離氣體）約束在一個(gè)密閉的容器中，使其達(dá)到核聚變所需的條件。而托卡馬克（Tokamak）裝置，展現(xiàn)出卓越的等離子體約束能力和穩(wěn)定性，成為等離子體約束研究的主流裝置。

EAST的超導(dǎo)磁體

托卡馬克（Tokamak）一詞源于俄語(yǔ)，是"帶磁線圈的環(huán)形腔"的縮寫(xiě)。它最初是由蘇聯(lián)科學(xué)家在20世紀(jì)50年代發(fā)明的，是一種利用磁場(chǎng)約束帶電粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。

托卡馬克的核心是其甜甜圈形狀（環(huán)形）的真空室。在這個(gè)真空室內(nèi)，在極端高溫和壓力下，中性氣體（通常是氘和氚的混合物）變成等離子體。等離子體中的帶電粒子可以被在容器周圍強(qiáng)大磁體形成的螺旋狀磁場(chǎng)所控制，科學(xué)家利用這一重要特性將高溫等離子體約束在遠(yuǎn)離容器壁的位置。

 電影《鋼鐵俠（Iron Man）》劇照

如果將太陽(yáng)比作一個(gè)自然形成的巨大"磁籠子"，那么托卡馬克就是人類嘗試在地球上建造的微型"磁籠子"。在科幻電影《鋼鐵俠》中，托尼·斯塔克胸前的方舟反應(yīng)堆，就是一個(gè)微型托卡馬克裝置的藝術(shù)表現(xiàn)，它通過(guò)核聚變反應(yīng)提供強(qiáng)大而清潔的能源。

星火燎原：中國(guó)引領(lǐng)的核聚變突圍戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)可控核聚變的條件非?？量蹋@也是為什么在幾十年的研究后，我們?nèi)匀粵](méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的核聚變能源。

英國(guó)科學(xué)家勞遜在20世紀(jì)50年代研究了這一條件的門(mén)檻，也被稱為聚變點(diǎn)火條件。

據(jù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)可觀的氘氚聚變等離子體至少要達(dá)到聚變點(diǎn)火條件，即：等離子體密度、溫度和等離子體能量約束時(shí)間的乘積（"三乘積"）大于3×1021千電子伏特·秒/立方米。

核聚變反應(yīng)速率會(huì)一直與溫度一起上升，直到最大反應(yīng)速率溫度后、逐漸下降。DT反應(yīng)速度峰值的溫度是最低的（約70 keV或八億度k)，而且高于另外的反應(yīng)。（圖片來(lái)源：維基百科）

這個(gè)"三乘積"是衡量核聚變裝置及核聚變研究水平的關(guān)鍵指標(biāo)。它包括三個(gè)參數(shù)：等離子體離子的溫度、密度和能量約束時(shí)間。這三項(xiàng)參數(shù)的乘積達(dá)到一定數(shù)值就可以實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)。

如果用一個(gè)烹飪的比喻來(lái)解釋，核聚變就像是一道極其挑剔的料理：溫度必須足夠高（超過(guò)1億度），食材必須足夠新鮮（高密度的氘氚燃料），而且必須有足夠長(zhǎng)的烹飪時(shí)間（能量約束時(shí)間）。這三個(gè)條件缺一不可，而且都必須達(dá)到極高的標(biāo)準(zhǔn)。

然而，要達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)家們面臨著諸多技術(shù)難題，使得"三乘積"的實(shí)現(xiàn)變得異常艱難。但正是在這些挑戰(zhàn)面前，全球科學(xué)家們展現(xiàn)出了非凡的智慧和毅力。

ESAT裝置主機(jī)結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所）

中國(guó)環(huán)流三號(hào)百萬(wàn)安倍億度的H模，即裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)等離子體電流一百萬(wàn)安培、離子溫度一億度的高約束模式運(yùn)行這一成就意味著中國(guó)在等離子體電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)上已經(jīng)躋身世界前列，為解決非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)問(wèn)題提供了新的思路和方案。之前"雙億度"的重大突破，也為研究阿爾法粒子物理問(wèn)題提供了理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置EAST（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所）

同時(shí)，東方超環(huán)（EAST）在2025年首次實(shí)現(xiàn)超過(guò)億度1066秒長(zhǎng)脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置新的世界紀(jì)錄。這一成就表明中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)在長(zhǎng)時(shí)間維持等離子體穩(wěn)定運(yùn)行方面取得了突破性進(jìn)展，充分驗(yàn)證了聚變堆高約束模穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的可行性。

NIF 的 92束高能激光束會(huì)聚在靶室的中心，使微小的氫燃料顆粒內(nèi)爆并引發(fā)熱核聚變反應(yīng)。（圖片來(lái)源：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

另一方面，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)建造完成，德國(guó)W7-X的仿星器方案，美國(guó)NIF的點(diǎn)火成功，這些成就都是人類在核聚變道路上邁出的重要一步。

曙光在前：邁向核聚變文明的征程

從人類最初發(fā)現(xiàn)火的那一刻起，能源就一直是推動(dòng)文明進(jìn)步的關(guān)鍵力量。從柴薪到煤炭，從石油到核能，每一次能源革命都深刻改變了人類社會(huì)的面貌。而核聚變能源，有望開(kāi)啟人類文明的全新篇章。

人造太陽(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”總師鐘武律

目前，關(guān)于聚變能源商業(yè)化的預(yù)測(cè)存在很大差異。

在ITER最近舉行的研討會(huì)上，30家私營(yíng)企業(yè)代表給出的時(shí)間從2028年到2040年不等，甚至更久。差異源于技術(shù)路徑不同，而每種方法都需解決基礎(chǔ)工程問(wèn)題，因此商業(yè)化時(shí)間難以精確預(yù)測(cè)。

鐘武律總師認(rèn)為，可控核聚變要實(shí)現(xiàn)商用，要走過(guò)大約6個(gè)階段。從全球的聚變能研發(fā)進(jìn)程來(lái)看，基本實(shí)現(xiàn)了征途過(guò)半。

如果核聚變能源成功商用，它將徹底解決能源短缺問(wèn)題。

核聚變?nèi)剂先≈槐M、用之不竭，一杯水中的氘就能提供相當(dāng)于300升汽油的能量。而且核聚變能源清潔環(huán)保，不產(chǎn)生溫室氣體和長(zhǎng)壽命放射性廢物，有助于應(yīng)對(duì)氣候變化。

此外，核聚變能源還具有固有安全性，不存在核裂變堆的熔毀風(fēng)險(xiǎn)。

電影《流浪地球》劇照

在更遠(yuǎn)的未來(lái)，核聚變技術(shù)還可能應(yīng)用于太空探索、海底城市建設(shè)等領(lǐng)域。

想象一下，搭載核聚變引擎的宇宙飛船，可以在幾個(gè)月內(nèi)到達(dá)火星，甚至飛向更遠(yuǎn)的太陽(yáng)系外行星；依靠核聚變能源的海底城市，可以為人類開(kāi)辟全新的生存空間。

這些曾經(jīng)只存在于科幻作品中的場(chǎng)景，或許在不久的將來(lái)就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

作者：楊雨鑫

審核專家：歐靖 中科院等離子體物理研究所副研究員

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