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)，其實在科學家的努力下，“人造太陽”——可控核聚變正逐步從實驗室走向現(xiàn)實?？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路線，分別是慣性約束和磁約束。這兩種技術路線各有優(yōu)勢，且有著不同的應用場景和發(fā)展方向，并不存在路線之爭或替代關系。

慣性約束核聚變——激光點燃微型恒星

慣性約束核聚變的基本原理可以形象地比喻為“激光點燃微型恒星”。慣性約束核聚變是一種利用強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。

在這一過程中，科學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)的溫度和壓力達到足以克服原子核間相互排斥力的條件，進而促使原子核快速融合為較重的核。這一過程非常迅猛，就像瞬間點燃一顆微型恒星，每一次核融合都釋放出大量能量，為實驗提供了驗證核聚變可行性的關鍵數(shù)據(jù)。

慣性約束核聚變技術具有能量釋放快速、設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，且只能脈沖運行，無法穩(wěn)態(tài)輸出能源。在應用場景上，慣性約束核聚變主要用于科學實驗和原理驗證，未來有望在基礎科學研究及深空探索中發(fā)揮作用。

美國國家點火裝置（NIF）于2022年實現(xiàn)了1.53倍的能量增益，截至2025年10月已完成9次點火，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，這標志著我國在該領域的研究規(guī)模和水平已躋身國際第一梯隊。

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)進行核聚變反應的技術。這種技術能長時間穩(wěn)定運行，類似于給核聚變反應“裝上了穩(wěn)固的保險帶”，使它有條不紊地釋放能量，為實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電打下堅實基礎。

磁約束核聚變具有可長時間穩(wěn)定運行、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——實現(xiàn)核聚變發(fā)電。

目前，國內(nèi)外在磁約束核聚變領域都有重要進展。2025年1月，中國有“人造太陽”之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）首次完成了1億攝氏度、1 066秒的長脈沖高約束模式運行，創(chuàng)下了新的世界紀錄。2024年，新一代人造太陽“中國環(huán)流三號”項目在國際上首次發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)了一種先進磁場結(jié)構(gòu)，對提升核聚變裝置的控制運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。業(yè)內(nèi)專家預測，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)化應用描繪了一幅充滿希望的藍圖。

國際上，國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目是目前全球最大的磁約束聚變實驗工程，由多個國家聯(lián)合開展，現(xiàn)已進入關鍵設備測試和調(diào)試階段，這對實現(xiàn)超高真空環(huán)境和聚變反應至關重要。

挑戰(zhàn)與機遇——風雨兼程，共創(chuàng)輝煌未來

雖然可控核聚變被譽為未來的無限清潔能源，但要將這一“人造太陽”從實驗室?guī)雽嶋H應用，科學家仍然面臨許多技術和經(jīng)濟上的挑戰(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。

除了這三大技術難題外，聚變堆的建設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)和準則體系。這種體系的建設是一個長期過程，需要持續(xù)的時間積累和不斷的迭代改進。

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和創(chuàng)新。國際合作、技術突破和不斷涌現(xiàn)的最新實驗數(shù)據(jù)，正為核聚變從實驗室走向?qū)嶋H應用鋪平道路。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。新型超導磁體、人工智能控制系統(tǒng)及先進燃料的應用正在為突破現(xiàn)有技術瓶頸提供新的解決思路，這些創(chuàng)新都將助力核聚變技術向?qū)嵱没⑸虡I(yè)化邁進。

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

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