官方网站-首页

【导语】在刘慈欣的科幻巨著《三体》中，太空飞船核聚变发动机的光芒照亮了人类探索宇宙的道路。如今，这一科幻场景正逐步变为现实。中国环流三号（HL-3）与东方超环（EAST）等核聚变装置不断取得突破，将“人造太阳”的梦想推向新的高度。核聚变能源，这一清洁、高效的能源形式，正引领人类走向能源自由的新时代。本文将深入探讨核聚变技术(shù)的(de)基(jī)本(běn)原(yuán)理(lǐ)、中(zhōng)国(guó)在(zài)此(cǐ)领(lǐng)域的(de)突(tū)出(chū)成(chéng)就(jiù)，以(yǐ)及(jí)核(hé)聚(jù)变(biàn)能(néng)源(yuán)对(duì)未(wèi)来(lái)社(shè)会(huì)的(de)深(shēn)远(yuǎn)影(yǐng)响(xiǎng)。

在(zài)刘(liú)慈(cí)欣(xīn)的(de)科(kē)幻(huàn)小(xiǎo)说(shuō)《三(sān)体(tǐ)》中(zhōng)，太(tài)空(kōng)飞(fēi)船(chuán)核(hé)聚(jù)变(biàn)发(fā)动(dòng)机(jī)发(fā)出(chū)的(de)光(guāng)芒(máng)如(rú)同(tóng)太(tài)阳(yáng)，推(tuī)动(dòng)人(rén)类(lèi)走(zǒu)出(chū)地(de)球(qiú)家(jiā)园(yuán)，走(zǒu)向(xiàng)广(guǎng)袤(mào)宇(yǔ)宙(zhòu)。如(rú)今(jīn)，这(zhè)幅(fú)壮(zhuàng)观(guān)的(de)画(huà)面(miàn)不(bù)再(zài)仅(jǐn)仅(jǐn)是(shì)科(kē)幻(huàn)作(zuò)家(jiā)的(de)想(xiǎng)象(xiàng)，而(ér)是(shì)正(zhèng)在(zài)一(yī)步(bù)步(bù)走(zǒu)向(xiàng)现(xiàn)实(shí)。

"人(rén)造(zào)太(tài)阳(yáng)"中(zhōng)国(guó)环(huán)流(liú)三(sān)号(hào)。

2025年(nián)5月(yuè)，一(yī)则(zé)振(zhèn)奋(fèn)人(rén)心(xīn)的(de)消(xiāo)息(xi)传(chuán)来(lái)：我(wǒ)国(guó)新(xīn)一(yī)代(dài)"人(rén)造(zào)太(tài)阳(yáng)"中(zhōng)国(guó)环(huán)流(liú)三(sān)号(hào)（HL-3）实(shí)现(xiàn)了(le)百(bǎi)万(wàn)安(ān)倍(bèi)亿(yì)度(dù)的(de)H模(mó)，即(jí)装(zhuāng)置(zhì)同(tóng)时(shí)实(shí)现(xiàn)等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)电(diàn)流(liú)一(yī)百(bǎi)万(wàn)安(ān)培(péi)、离(lí)子(zi)温(wēn)度(dù)一(yī)亿(yì)度(dù)的(de)高(gāo)约(yuē)束(shù)模(mó)式(shì)运(yùn)行(xíng)。综(zōng)合(hé)参(cān)数(shù)聚(jù)变(biàn)三(sān)乘(chéng)积(jī)再(zài)创(chuàng)新(xīn)高(gāo)，达(dá)到(dào)10的(de)20次(cì)方(fāng)量(liàng)级；之前，中国环流三号在国内首次实现离子温度1.17亿度、电子温度1.6亿摄氏度的"双亿度"重大突破。与此同时，中国东方超环（EAST）在今年1月也首次实现超过亿度1066秒长脉冲高约束模等离子体运行，再次创造了托卡马克装置新的世界纪录。

这些成就意味着什么？为什么科学家们如此执着于追逐"人造太阳"？核聚变能源又将如何改变人类的未来？让我们一起走进这个充满奇迹与希望的科技前沿。

核聚变能与托卡马克：装进盒子里的太阳

太阳通过原子核的核聚变产生能量，把氢原子聚变成氦原子。在它的核心，太阳发生以每秒钟6.2亿吨氢的核聚变。（图片来源：NASA）

万物生长靠太阳。太阳之所以能发光发热，是因为其内部持续进行着核聚变反应。在太阳核心区域，在极高的温度（约1500万摄氏度）和压力下，氢原子核不断碰撞融合成氦原子核，同时释放出巨大的能量。这种能量以光和热的形式传递到太(tài)阳表面，再辐射到太空中，滋养着地球上的一切生命。

核裂变（左）与核聚变（右）（图片来源：U.S. Department of Energy）

核聚变，是将较轻的原(yuán)子(zi)核(hé)聚(jù)合(hé)反(fǎn)应(yīng)而(ér)生(shēng)成(chéng)较(jiào)重(zhòng)的(de)原(yuán)子(zi)核(hé)，并(bìng)在(zài)此(cǐ)过(guò)程(chéng)中(zhōng)释(shì)放(fàng)出(chū)巨(jù)大(dà)能(néng)量(liàng)的(de)过(guò)程(chéng)。与(yǔ)我(wǒ)们(men)熟(shú)知(zhī)的(de)核(hé)裂(liè)变(biàn)（如核电站和原子弹使用的技术）不同，核聚变不是将重原子核分裂，而是将轻原子核融合。如果将核裂变比作是"劈柴"，那么核聚变就像是"点燃氢气球"。前者是将"大木头"劈成小块释放能量，后者则是将"小气泡"融合成大气泡并释放能量。

氘-氚 （D-T）的核聚变反应产生氦（He）与中子（n），期间释放出的核能，在核聚变发电中具有较大的反应截面以及较低的粒子能量需求，是目前考虑中的未来主要能源。（图片来源：维基百科）

人类对核聚变的认识始于上世纪中叶。1952年，世界上第一颗氢弹成功试爆，让人类认识到氘氚核聚变反应的巨大能量。但氢弹爆炸是不可控的核聚变反应，不能提供稳定的能源输出。从此，科学家们便致力于在地球上实现人工控制下的核聚变反应（即可控核聚变），希望利用太阳发光发热的原理，为人类铺展能源自由之路。

然而，要在地球上实现可控核聚变，面临着巨大的挑战。太阳可以依靠其巨大的质量产生强大的引力场，将氢气压缩到极高的温度和密度，从而实现核聚变。但在地球上，我们无法复制这种条件。科学家们提出了多种方案，其中最有前途的是磁约束核聚变，即利用强大的磁场将高温等离子体（电离气体）约束在一个密闭的容器中，使其达到核聚变所需的条件。而托卡马克（Tokamak）装置，展现出卓越的等离子体约束能力和稳定性，成为等离子体约束研究的主流装置。

EAST的超导磁体。

托卡马克（Tokamak）一词源于俄语，是"带磁线圈的环形腔"的缩写。它最初是由苏联科学家在20世纪50年代发明的，是一种利用磁场约束带电粒子来实现可控核聚变的(de)环(huán)形(xíng)容器。托卡马克的核心是其甜甜圈形状（环形）的真空室。在这个真空室内，在极端高温和压力下，中性气体（通常是氘和氚的混合物）变成等离子体(tǐ)。等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)中(zhōng)的(de)带(dài)电(diàn)粒子可以被在容器周围强大磁体形成的螺旋状磁场所控制，科学家利用这一重要特性将高温等离子体约束在远离容器壁的位置。

电影《钢铁侠（Iron Man）》剧照

如果将太阳比作一个自然形成的巨大"磁笼子"，那么托卡马克就是人类尝试在地球上建造的微型"磁笼子"。在科幻电影《钢铁侠》中，托尼·斯塔克胸前的方舟反应堆，就是一个微型托卡马克装置的艺术表现，它通过核聚变反应提供强大而清洁的能源。

星火燎原：中国引领的核聚变突围战

实现可控核聚变的条件非常苛刻，这也是为什么在几十年的研究后，我们仍然没有实现商业化的核聚变能源。英国科学家劳逊在20世纪50年代研究了这一条件的门槛，也被称为聚变点火条件。据计算，实现可观的氘氚聚变等离子体至少要达到聚变点火条件，即：等离子体密度、温度和等离子体能量约束时间的乘积（"三乘积"）大于3×10²¹千电子伏特·秒/立方米。

核聚变反应速率会一直与温度一起上升，直到最大反应速率温度后、逐渐下降。DT反应速度峰值的温度是最低的（约70 keV或八亿度k)，而且高于另外的反应。（图片来源：维基百科）

这个"三乘积"是衡量核聚变装置及核聚变研究水平的关键指标。它包括三个参数：等离子体离子的温度、密度和能量约束时间。这三项参数的乘积达到一定数值就可以实现核聚变反应。如果用一个烹饪的比喻来解释，核聚变就像是一道极其挑剔的料理：温度必须足够高（超过1亿度），食材必须足够新鲜（高密度的氘氚燃料），而且必须有足够长的烹饪时间（能量约束时间）。这三个条件缺一不可，而且都必须达到极高的标准。

然而，要达到这些标准，科学家们面临着诸多技术难题，使得"三乘积"的实现变得异常艰难。但正是在这些挑战面前，全球科学家们展现出了非凡的智慧和毅力。

ESAT装(zhuāng)置(zhì)主机结构（图片来源：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）

中国环流三号百万安倍亿度的H模，即装置同时实现等离子体电流一百万安培、离子温度一亿度的高约束模式运行这一成就意味着中国在等离子体电流驱动技术上已经跻身世界前列，为解决非感应电流驱动问题提供了新的思路和方案。之前"双亿度"的重大突破，也为研究阿尔法粒子物理问题提供了理想的实验平台。

世界首个全超导托卡马克装置EAST（图片来源：中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所）

同时，东方超环（EAST）在2025年首次实现超过亿度1066秒长脉冲高约束模等离子体运行，再次创造了托卡马克装置新的世界纪录。这一成就表明中国科学家已经在长时间维持等离子体稳定运行(xíng)方(fāng)面(miàn)取(qǔ)得了突破性进展，充分验证了聚变堆高约束模稳态运行的可行性。

NIF 的 92束高能激光束会聚在靶室的中心，使微小的氢燃料颗粒内爆并引发热核聚变反应。（图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室）

另一方面，国际热核聚变实验堆（ITER）的超导磁体系统建造完成，德国W7-X的仿星器方案，美国NIF的点火成功，这些成就都是人类在核聚变道路上迈出的重要一步。

曙光在前：迈向核聚变文明的征程

从人类最初发现火的那一刻起，能源就一直是推动文明进步的关键力量。从柴薪到煤炭，从石油到核能，每一次能源革命都深刻改变了人类社会的面貌。而核聚变能源，有望开启人类文明的全新篇章。

人造太阳“中国环流三号”总师钟武律。

目前，关于聚变能源商业化的预测存在很大差异。在ITER最近举行的研讨会上，30家私营企业代表给出的时间从2028年到2040年不等，甚至更久。差异源于技术路径不同，而每种方法都需解决基础工程问题，因此商业化时间难以精确预测。钟武律总师认为，可控核聚变要实现商用，要走过大约6个阶段。从全球的聚变能研发进程来看，基本实现了征途过半。

如果核聚变能源成功商用，它将彻底解决能源短缺问题。核聚变燃料取之不尽、用之不竭，一杯水中的氘就能提供相当于300升汽油的能量。而且核聚变能源清洁环保，不产生温室气体和长寿命放射性废物，有助于应对气候变化。此外，核聚变能源还具有固有安全性，不存在核裂变堆的熔毁风险。

电影《流浪地球》剧照

在更远的未来，核聚变技术还可能应用于太空探索、海底城市建设等领域。想象一下，搭载核聚变引擎的宇宙飞船，可以在几个月内到达火星，甚至飞向更远的太阳系外行星；依靠核聚变能源的海底城市，可以为人类开辟(pì)全新(xīn)的(de)生(shēng)存(cún)空(kōng)间(jiān)。这(zhè)些(xiē)曾(céng)经(jīng)只(zhǐ)存在于科幻作品中的场景，或许在不久的将来就会成为现实。（作者：杨雨鑫）

参考资料：
https://news.cctv.com/2025/05/29/ARTI8gLyVQJyshfCZEBhzdwU250529.shtml
https://www.cas.cn/cm/202304/t20230414_4884009.shtml
https://ipp.cas.cn/xwdt/ttxw/202501/t20250120_410191.html
https://www.cas.cn/cm/202501/t20250121_5045668.shtml
https://mp.weixin.qq.com/s/Z8CYc-YtKhLXy2rG0rHeQg
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A0%B8%E8%81%9A%E5%8F%98
http://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak

审核：中科院等离子体物理研究所副研究员 欧靖