可控核聚變：點(diǎn)亮人類未來的“人造太陽”

你是否曾夢想過擁有自己的“小太陽”？這聽起來或許像科幻小說中的情節(jié)，其實(shí)在科學(xué)家的努力下，“人造太陽”——可控核聚變正逐步從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)。可控核聚變是將輕小的原子核在極高溫度和壓力下融合成更重的原子核，這個過程能釋放出巨大的能量，就像太陽每天為地球提供光和熱一樣?？煽睾司圩儾粌H代表著一種清潔、高效、幾乎取之不盡的未來能源，也預(yù)示著人類在能源革命道路上取得重大突破的可能性。

核聚變基礎(chǔ)原理——原子碰撞釋放能量的奇跡

你有沒有想過，太陽每天發(fā)光發(fā)熱的秘密是什么？在太陽的核心，由于極端高溫和極高壓力，數(shù)以億計的氫原子核不斷相互碰撞并融合成氦原子核。每當(dāng)這種融合過程發(fā)生時，就會釋放出巨大的能量——這就是核聚變的神奇之處。

核聚變技術(shù)不僅幫助我們理解太陽是如何持續(xù)發(fā)光發(fā)熱的，也讓我們看到了人類利用核聚變作為清潔能源這一構(gòu)想的無限潛力。核聚變技術(shù)由于幾乎不產(chǎn)生長期放射性廢料，非常環(huán)保，而且燃料來源廣泛，為未來提供了幾乎無窮無盡的能源可能。

目前，可控核聚變有兩條主流技術(shù)路線，分別是慣性約束和磁約束。這兩種技術(shù)路線各有優(yōu)勢，且有著不同的應(yīng)用場景和發(fā)展方向，并不存在路線之爭或替代關(guān)系。

慣性約束核聚變——激光點(diǎn)燃微型恒星

慣性約束核聚變的基本原理可以形象地比喻為“激光點(diǎn)燃微型恒星”。慣性約束核聚變是一種利用強(qiáng)大激光或粒子束在極短時間內(nèi)將燃料球快速壓縮至極高溫度和壓力，從而觸發(fā)原子核融合并釋放出巨大能量的技術(shù)。

在這一過程中，科學(xué)家會用多個高能激光或粒子束同時照射一個微小的燃料球，這個燃料球通常由氘和氚組成。激光能量在極短的時間內(nèi)將燃料球迅速壓縮，使燃料內(nèi)的溫度和壓力達(dá)到足以克服原子核間相互排斥力的條件，進(jìn)而促使原子核快速融合為較重的核。這一過程非常迅猛，就像瞬間點(diǎn)燃一顆微型恒星，每一次核融合都釋放出大量能量，為實(shí)驗(yàn)提供了驗(yàn)證核聚變可行性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

慣性約束核聚變技術(shù)具有能量釋放快速、設(shè)備緊湊和操作相對簡便的顯著優(yōu)勢。激光聚變的本質(zhì)是引爆微型氫彈，且只能脈沖運(yùn)行，無法穩(wěn)態(tài)輸出能源。在應(yīng)用場景上，慣性約束核聚變主要用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和原理驗(yàn)證，未來有望在基礎(chǔ)科學(xué)研究及深空探索中發(fā)揮作用。

美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）于2022年實(shí)現(xiàn)了1.53倍的能量增益，截至2025年10月已完成9次點(diǎn)火，并制造出了迄今為止最亮的X射線源，使產(chǎn)出效率提高了1倍。中國于2015年建成的“神光-Ⅲ”裝置輸出能力位居世界第二，這標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域的研究規(guī)模和水平已躋身國際第一梯隊(duì)。

磁約束核聚變——磁場鎖定百萬度能量

磁約束核聚變是一種利用磁線圈布置的環(huán)形容器裝置，通過超強(qiáng)磁場構(gòu)建“磁力牢籠”，將比太陽表面還要熾熱的帶電氣體（等離子體）牢牢“鎖”在容器中央，從而在受控環(huán)境下持續(xù)進(jìn)行核聚變反應(yīng)的技術(shù)。這種技術(shù)能長時間穩(wěn)定運(yùn)行，類似于給核聚變反應(yīng)“裝上了穩(wěn)固的保險帶”，使它有條不紊地釋放能量，為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

磁約束核聚變具有可長時間穩(wěn)定運(yùn)行、適合大規(guī)模發(fā)電、不需要頻繁更換等離子體材料、產(chǎn)生的中子輻射和放射性廢物相對較少等顯著優(yōu)勢。這些優(yōu)勢決定了磁約束核聚變的能源用途——實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電。

目前，國內(nèi)外在磁約束核聚變領(lǐng)域都有重要進(jìn)展。2025年1月，中國有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）首次完成了1億攝氏度、1 066秒的長脈沖高約束模式運(yùn)行，創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄。2024年，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”項(xiàng)目在國際上首次發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)了一種先進(jìn)磁場結(jié)構(gòu)，對提升核聚變裝置的控制運(yùn)行能力具有重要意義，為未來大規(guī)模核聚變發(fā)電打下基礎(chǔ)。業(yè)內(nèi)專家預(yù)測，到2035年，中國有望迎來可控核聚變發(fā)出的第一度電。這為商業(yè)化應(yīng)用描繪了一幅充滿希望的藍(lán)圖。

國際上，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目是目前全球最大的磁約束聚變實(shí)驗(yàn)工程，由多個國家聯(lián)合開展，現(xiàn)已進(jìn)入關(guān)鍵設(shè)備測試和調(diào)試階段，這對實(shí)現(xiàn)超高真空環(huán)境和聚變反應(yīng)至關(guān)重要。

挑戰(zhàn)與機(jī)遇——風(fēng)雨兼程，共創(chuàng)輝煌未來

雖然可控核聚變被譽(yù)為未來的無限清潔能源，但要將這一“人造太陽”從實(shí)驗(yàn)室?guī)雽?shí)際應(yīng)用，科學(xué)家仍然面臨許多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)。目前主要有三大挑戰(zhàn)，分別是等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、抗高熱和高能中子輻射材料、以及氚增值和氚自持。

除了這三大技術(shù)難題外，聚變堆的建設(shè)還面臨其他諸多困難。例如，目前國際社會尚未建立一套專門適用于聚變堆的安全法規(guī)和準(zhǔn)則體系。這種體系的建設(shè)是一個長期過程，需要持續(xù)的時間積累和不斷的迭代改進(jìn)。

盡管存在諸多難題，但正是這些挑戰(zhàn)激發(fā)了全球科技工作者不斷攻關(guān)和創(chuàng)新。國際合作、技術(shù)突破和不斷涌現(xiàn)的最新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，正為核聚變從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用鋪平道路。核聚變作為一種清潔能源，其過程幾乎不產(chǎn)生長期放射性廢料，同時燃料資源極為豐富，有望徹底改變?nèi)虻哪茉唇Y(jié)構(gòu)，推動新能源革命。新型超導(dǎo)磁體、人工智能控制系統(tǒng)及先進(jìn)燃料的應(yīng)用正在為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸提供新的解決思路，這些創(chuàng)新都將助力核聚變技術(shù)向?qū)嵱没⑸虡I(yè)化邁進(jìn)。

本文來源于《科技畫報》2025年第4期。李丹妮，上海市科學(xué)學(xué)研究所助理研究員。傅翠曉，上海市科學(xué)學(xué)研究所研究員。文章觀點(diǎn)不代表主辦機(jī)構(gòu)立場。

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