可控核聚變，作為面向國(guó)家重大需求的前沿顛覆性技術(shù)，是能夠最終解決人類能源問題的重要途徑之一。我國(guó)自主設(shè)計(jì)研制的大科學(xué)裝置、新一代“人造太陽”——中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-3）取得了令人矚目的成就，為未來的清潔能源開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

而核裂變作為目前廣泛應(yīng)用的核能技術(shù)，也在為人類提供著巨大的能源支持。核電站完善的安全保護(hù)措施，確保了核裂變過程的穩(wěn)定與安全。下面，就讓我們一起走進(jìn)核聚變與核裂變的世界，探索它們背后的奧秘，以及它們?nèi)绾斡绊懼覀兊奈磥怼?/p>

分裂？聚合？

No.1

核裂變

No.2

核聚變

聚變“新星”

——新一代“人造太陽”

近年來，我國(guó)核聚變裝置運(yùn)行不斷取得突破，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。中國(guó)環(huán)流三號(hào)（HL-3）是我國(guó)首個(gè)具備開展堆芯級(jí)等離子體物理實(shí)驗(yàn)的聚變裝置，由于可控核聚變能源產(chǎn)生能量的原理與太陽發(fā)光發(fā)熱的原理一樣，它也被稱為新一代“人造太陽”。

No.1

“人造太陽”如何工作

1

產(chǎn)生等離子體

將含有氘、氚的氣體燃料注入“人造太陽”的真空室內(nèi)，并將其加熱到上億攝氏度，使氣體中的原子失去電子，形成由自由電子和離子組成的等離子體（高度離子化而整體呈電中性的物質(zhì)狀態(tài)，是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第4態(tài)）。

2

磁場(chǎng)約束

在托卡馬克裝置中，等離子體電流和外部磁體線圈共同作用，會(huì)產(chǎn)生螺旋形的強(qiáng)大“磁籠子”，將高溫等離子體約束在其中，使其穩(wěn)定存在。

3

維持聚變反應(yīng)

在“磁籠子”約束下，當(dāng)?shù)入x子體的溫度、密度和約束時(shí)間這3個(gè)參數(shù)的乘積，即聚變“三乘積”達(dá)到一定值時(shí)，氘、氚之間的熱運(yùn)動(dòng)速度足夠大，能克服它們之間的電荷排斥力，發(fā)生聚合反應(yīng)，生成氦原子核和中子，并釋放出巨大的能量，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)的核聚變反應(yīng)。

2024年6月，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。近期，中國(guó)環(huán)流三號(hào)150萬安培等離子體電流高約束模運(yùn)行，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，等離子體電流聚變“三乘積”等核心參數(shù)再上新臺(tái)階，標(biāo)志著我國(guó)磁約束核聚變研究向堆芯級(jí)高性能聚變等離子體邁出重要一步。

No.2

大規(guī)模利用核聚變發(fā)電

需要突破哪些技術(shù)難關(guān)

1

難關(guān)一：溫度

聚變能是宇宙的能源，太陽猶如一個(gè)巨大的核聚變反應(yīng)裝置，不斷地向外輻射能量，向地球輸送能源。太陽之所以能持續(xù)為地球提供光和熱，關(guān)鍵就在于太陽內(nèi)在源源不斷地進(jìn)行核聚變，若我們要利用“人造太陽”完成一次核聚變，裝置的初始點(diǎn)燃反應(yīng)至少要達(dá)到1億攝氏度（太陽核心溫度的6倍以上），后續(xù)的運(yùn)行還要消耗大量額外能量，并且設(shè)備復(fù)雜、維護(hù)難度大、成本極高。

2

難關(guān)二：材料

目前，如何讓等離子體保持穩(wěn)定狀態(tài)，如何研制出能承受高能中子轟擊及高熱量負(fù)荷的材料，如何生成足量的氚以滿足聚變帶來的消耗，是科研人員在磁約束核聚變領(lǐng)域面臨的3大科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)。

因此，要想在日常生活使用核聚變產(chǎn)生的電能，人類還有很長(zhǎng)的一段路要走。

No.3

低碳先鋒 讓地球“喘口氣”

核能的能量密度是化石能源的幾百萬倍，少量燃料就能發(fā)出大量電。并且，核電幾乎不受氣候、晝夜等因素影響，現(xiàn)核電站換料周期長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月，年利用小時(shí)數(shù)超過7000小時(shí)，是“零碳”能源體系的基荷電源。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，核能是隱形的“守護(hù)者”。放射診斷設(shè)備利用核技術(shù)，幫助醫(yī)生精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)身體內(nèi)部的病變；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，核能化身為“智慧農(nóng)夫”，借助輻射育種技術(shù)，能夠改變農(nóng)產(chǎn)品作物的基因結(jié)構(gòu)，提高其生長(zhǎng)效率和適應(yīng)能力，減少農(nóng)藥和化肥的使用，推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展。

未來某天，也許以核電為供應(yīng)能源的燈會(huì)照亮全球的各個(gè)角落，并讓天空更加澄澈，讓地球不用去流浪……如果你是未來能源規(guī)劃師，你認(rèn)為核聚變實(shí)現(xiàn)商用后，最想用它改變生活的哪個(gè)方面？是打造“無限電力城市”，還是驅(qū)動(dòng)星際探索？歡迎在評(píng)論區(qū)寫下你的“聚變夢(mèng)想”！

責(zé)任編輯 | 趙青云

運(yùn)營(yíng)編輯 | 趙青云 李佳桐（實(shí)習(xí)）

質(zhì)量審核 | 李雅欣 王維嘉

圖片來源 |《知識(shí)就是力量》雜志，原文《硬“核”通往無垠未來》，撰文 / 陶奇?zhèn)ィㄖ泻撕穗娺\(yùn)行管理有限公司(秦山核電)、柴子曈（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。

知識(shí)就是力量

現(xiàn)訂購(gòu)2026年

《知識(shí)就是力量》雜志

定價(jià)360元

把一整年的知識(shí)搬回家！