一個曾經(jīng)被視為不可逾越的物理極限，如今被中國科學(xué)家穩(wěn)穩(wěn)甩在身后。

2026年1月，中科院等離子體物理研究所的科學(xué)家們在《科學(xué)進展》上發(fā)表了一項震動全球的成果。中國的EAST裝置成功將等離子體密度推到了格林沃爾德極限的1.3倍至1.65倍。

這個數(shù)字意味著什么？它直接打破了困擾全球核聚變領(lǐng)域近半個世紀(jì)的“密度天花板”。

01 極限挑戰(zhàn)

1988年，科學(xué)家格林沃爾德發(fā)現(xiàn)一個令人沮喪的現(xiàn)象：托卡馬克裝置中的等離子體密度似乎存在一個不可逾越的上限。

一旦超過這個限度，等離子體就會變得不穩(wěn)定，無法維持可控核聚變所需的條件。這個發(fā)現(xiàn)讓全球聚變研究者頭疼了三十多年。

核聚變要實現(xiàn)，必須滿足勞森判據(jù)：等離子體密度、溫度和能量約束時間三個要素必須同時達標(biāo)。長期以來，密度這個要素就像一道緊箍咒，牢牢限制著核聚變研究的發(fā)展。

2018年，國際熱核聚變實驗堆ITER項目曾公布數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)時全球最先進的裝置也只能勉強達到格林沃爾德極限的85%左右。突破這個極限，成為全球聚變科學(xué)家夢寐以求的目標(biāo)。

02 中國方案

中國科學(xué)家是如何突破這個50年魔咒的？關(guān)鍵在于兩項核心技術(shù)創(chuàng)新。

第一項是高功率微波加熱技術(shù)。研究人員采用電子回旋共振加熱方法，精準(zhǔn)控制等離子體能量分布，使其在超高密度下仍保持穩(wěn)定。這項技術(shù)的精度要求極高，微波功率的波動必須控制在千分之一以內(nèi)。

第二項是預(yù)充氣技術(shù)。通過注入大量中性氣體來冷卻壁面區(qū)域，有效降低了等離子體與裝置壁面的相互作用，減少了能量損失和雜質(zhì)產(chǎn)生。這個思路看似簡單，實際操作卻需要極為精密的控制系統(tǒng)。

這兩項技術(shù)雙管齊下，才使得突破成為可能。中國的突破不是偶然的運氣，而是長期技術(shù)積累的結(jié)果。

2024年5月，美國DIII-D托卡馬克實驗宣布達到格林沃爾德極限的120%，但僅維持了2.2秒。相比之下，中國EAST裝置不僅突破幅度更大，持續(xù)時間也更穩(wěn)定。

03 制造力量

核聚變研究的突破，離不開中國先進制造業(yè)的有力支撐。

EAST裝置所需的超高真空室、大型超導(dǎo)磁體、精密加熱系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，全部由中國企業(yè)自主制造。其中，裝置內(nèi)部的偏濾器部件需要耐受上億攝氏度的高溫，這對材料科學(xué)和制造工藝提出了極高要求。

合肥的一家特種材料企業(yè)為EAST研發(fā)了新型鎢銅復(fù)合材料，成功解決了高溫下材料變形和濺射的問題。這種材料如今已應(yīng)用于多個高端制造領(lǐng)域。

核聚變研究正在倒逼中國制造業(yè)向更高精度、更耐極端環(huán)境的方向發(fā)展。這種“科研需求牽引制造業(yè)升級”的模式，已經(jīng)成為中國創(chuàng)新體系的重要特點。

04 戰(zhàn)略布局

中國在核聚變領(lǐng)域早已布局了清晰的“三級跳”戰(zhàn)略。

EAST裝置作為第一跳，已經(jīng)創(chuàng)造了多項世界紀(jì)錄：1億攝氏度、1066秒高約束模等離子體穩(wěn)定運行。如今的密度突破，使這條技術(shù)路線更加堅實。

第二跳是合肥正在建設(shè)的BEST裝置。這個裝置計劃2027年底建成，2030年就要實現(xiàn)聚變能發(fā)電演示。這個進度比國際同類計劃提前了近十年。

第三跳則是未來的商業(yè)示范堆。中國已經(jīng)開始了關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研，特別是在氚自持循環(huán)和第一壁材料這兩個最難啃的骨頭上投入了大量資源。

成都的中國環(huán)流三號裝置在2025年達成了原子核溫度1.17億攝氏度與電子溫度1.6億攝氏度的雙高溫。這些裝置各有側(cè)重，形成了中國核聚變研究的“組合拳”。

05 國際賽場

當(dāng)中國在核聚變賽道加速時，國際競爭格局也在發(fā)生變化。

國際熱核聚變實驗堆ITER項目由七個主要成員共同推進，但進展并不順利。2025年4月，ITER才完成首套真空室扇區(qū)模塊安裝，全功率運行時間從2035年推遲到了2039年。

與此同時，私營企業(yè)也開始涌入這個領(lǐng)域。2025年7月，全球聚變行業(yè)籌集資金超過97億美元，多家初創(chuàng)公司提出了各種創(chuàng)新的聚變方案。但大多數(shù)專家認(rèn)為，托卡馬克路線仍然是最有希望率先成功的路徑。

美國能源部在2025年10月發(fā)布了新的聚變路線圖，計劃在2030年代中期實現(xiàn)商業(yè)化部署。這個時間表與中國的計劃基本同步，預(yù)示著2030年代可能成為聚變能源的“關(guān)鍵十年”。

06 現(xiàn)實難題

盡管實驗室取得了突破，但核聚變能源真正走向商業(yè)應(yīng)用，還面臨三大技術(shù)難題。

第一是氚自持循環(huán)問題。氚具有放射性且自然界中極其稀缺，必須通過聚變反應(yīng)自身產(chǎn)生。目前全球氚儲量僅夠支持幾個實驗裝置運行，如何實現(xiàn)氚的循環(huán)利用是必須解決的難題。

第二是面向等離子體的第一壁材料。這層材料直接承受上億度高溫等離子體的轟擊，目前最有希望的是液態(tài)金屬壁技術(shù)，但仍處于實驗階段。

第三是能量導(dǎo)出系統(tǒng)。聚變產(chǎn)生的大量能量如何安全高效地轉(zhuǎn)化為電能，涉及復(fù)雜的包層系統(tǒng)設(shè)計和氚增殖技術(shù)，這些都需要工程上的突破。

經(jīng)濟可行性也是重大挑戰(zhàn)。國際能源署估計，首座商業(yè)聚變電廠的建設(shè)成本可能高達數(shù)百億美元。只有當(dāng)成本下降到合理水平時，聚變能源才能真正取代化石燃料。

當(dāng)EAST裝置中的等離子體密度穩(wěn)穩(wěn)越過格林沃爾德極限時，監(jiān)控室里的歡呼聲持續(xù)了很久。一位研究員后來回憶說：“那一刻，我們知道，通向聚變能源的道路上，又少了一堵墻。”

根據(jù)國際原子能機構(gòu)的預(yù)測，如果當(dāng)前進展保持下去，第一個商業(yè)化的聚變電廠可能在2040年前后出現(xiàn)。到2050年，聚變能源有望成為全球清潔能源體系的重要組成部分。