你是否曾夢(mèng)想過擁有自己的“小太陽(yáng)”？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(yáng)”——可控核聚變正逐步從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)?？煽睾司圩兪菍⑤p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(gè)過程能釋放出巨大的能量，就像太陽(yáng)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(yáng)每天發(fā)光發(fā)熱的秘密是什么？在太陽(yáng)的核心，由于極端高溫和極高壓力，數(shù)以億計(jì)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(shí)，就會(huì)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(yáng)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(zhǎng)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(shì)，且有著不同的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展方向，并不存在路線之爭(zhēng)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(shí)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(huì)用多個(gè)高能激光或粒子束同時(shí)照射一個(gè)微小的燃料球，這個(gè)燃料球通常由氘和氚組成。激光能量在極短的時(shí)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(duì)簡(jiǎn)便的顯著優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)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(guó)國(guó)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(guó)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(guó)在該領(lǐng)域的研究規(guī)模和水平已躋身國(guó)際第一梯隊(duì)。

磁約束核聚變——磁場(chǎng)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(chǎng)構(gòu)建“磁力牢籠”，將比太陽(yáng)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(zhǎng)時(shí)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(xiǎn)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

磁約束核聚變具有可長(zhǎng)時(shí)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(duì)較少等顯著優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)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(guó)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(guó)有“人造太陽(yáng)”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(zhǎng)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(yáng)“中國(guó)環(huán)流三號(hào)”項(xiàng)目在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)了一種先進(jìn)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)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(cè)，到2035年，中國(guó)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(guó)際上，國(guó)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(gè)國(guó)家聯(lián)合開展，現(xiàn)已進(jìn)入關(guān)鍵設(shè)備測(cè)試和調(diào)試階段，這對(duì)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(yáng)”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(guó)際社會(huì)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(gè)長(zhǎng)期過程，需要持續(xù)的時(shí)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(guó)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(zhǎng)期放射性廢料，同時(shí)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(dòng)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?、商業(yè)化邁進(jìn)。

本文來源于《科技畫報(bào)》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(chǎng)。

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