洞见 | 可控核聚变的现在与未来

 01  何为可控核聚变

其中，氘氚聚变的反应截面（反应概率）高出其他聚变反应两个数量级以上，意味着在相同的条件下，D-T反应发生的概率远高于其他反应，更容易实现和维持，因此它成为当前国际聚变研究和大多数商业聚变公司选择的主要反应路线。

可控核聚变之所以被称为“能源圣杯”，核心源于其碾压现有能源形式的四大物理特性，几乎完美解决了人类能源需求的核心痛点：

• 燃料储量近乎无限：海水中蕴含丰富的氘元素，每升海水中的氘完全聚变释放的能量，相当于300升汽油燃烧的热量。地球海水中氘总量约45万亿吨，按当前全球能源消耗速率，足以支撑人类数十亿年使用，彻底摆脱对化石燃料和有限矿产资源的依赖。

• 环境友好无负担：聚变反应不产生温室气体，不会加剧全球变暖。其主要副产品是惰性气体氦，无毒性、无腐蚀性，且不产生长寿命放射性废物，从根本上解决了核裂变的核废料处理难题。

• 本质安全无风险：聚变反应需要极端苛刻的温度、密度条件才能维持，一旦磁场约束失效或激光驱动中断，反应会瞬间终止，不存在核裂变电站的熔堆、爆炸风险，安全性达到天然级别。

• 能量密度极高：一公斤氘氚聚变燃料产生的能量，相当于一万吨标准煤燃烧的热量，是煤炭能量密度的千万倍，能以极小燃料体积满足巨大能源需求，大幅降低能源运输和存储成本。

1.2 实现聚变的三大挑战

可控核聚变的巨大潜力背后，是三道难以逾越的“技术天堑”，这也是其历经数十年仍未商业化的核心原因：

• 上亿度高温的创造与维持：要让氘氚原子核克服静电斥力发生融合，必须将燃料加热到1亿摄氏度以上，这一温度是太阳核心温度的6倍多。如何创造并持续维持这一极端环境，是首要技术难题。

• 等离子体的稳定约束：高温下的氘氚燃料会电离成由离子和自由电子组成的等离子体，如同一团难以驯服的“高温火球”，需要将高温等离子体进行持续稳定的约束。

• 能量净增益的经济可行性：由于激光、磁场等系统运行本身会消耗大量能量，只有当聚变输出能量远超总输入能量（一般认为Q>10），且装置建造成本、运行维护成本可控时，才能实现商业化盈利，这是从实验室走向产业界的关键门槛。

1.3 关键物理参数与里程碑

“聚变点火”是行业最关键的里程碑，指聚变反应产生的热量足以加热自身燃料，无需外部持续输入能量就能维持反应，此时能量增益Q≥1。

1957年，英国科学家约翰·劳森提出实现聚变“点火”的临界条件 --“劳森判据”，明确氘氚聚变需要满足的最低三重积阈值（nτT≥10²¹ m⁻³·s·K），即等离子体密度（n）、温度（T）和能量约束时间（τ）的乘积，直接反映聚变反应的强度和能量积累效率。聚变三重积与能量增益Q值高度相关，三重积越高，Q值提升潜力越大。

表 核聚变能量增益因子（Q值）发展里程碑

从历史进展来看，Q值的提升呈现稳步突破的态势。2022年NIF的实验首次达成“聚变点火”目标，成为人类可控核聚变史上的分水岭，证明聚变能量的获取并非遥不可及。

而EAST实现的1亿摄氏度、1000秒长脉冲运行，则攻克了“稳定约束”的核心难题，为聚变装置的稳态运行提供了关键数据，是从“脉冲实验”走向“连续发电”的重要铺垫。2025年，中国环流三号（HL-3）实现“双亿度”运行，紧凑型聚变能实验装置BEST项目和“夸父”设施也取得阶段性进展；人工智能的快速发展进一步点燃能源需求，持续推动商业化进程。

 02  多条技术路径并行

实现可控核聚变的技术路线，本质是围绕“如何创造并约束高温等离子体”展开的不同解决方案。

实现可控核聚变有三种约束方式，分别是引力约束、磁约束和惯性约束。引力约束是通过物质自身质量产生巨大的引力来实现对燃料的约束（如太阳），目前在地球上无法实现。因此目前全球主要围绕磁约束、惯性约束两大主流路线，以及一批新兴混合方案，共同推动行业进步。

图：可控核聚变的三种约束方式

资料来源：《超导磁体技术与磁约束核聚变》

2.1 磁约束

磁约束聚变的核心逻辑，是利用等离子体带电粒子在磁场中沿磁力线运动的特性，用强磁场构建无形的“笼子”，将高温等离子体与容器壁隔离，同时加热并维持其稳定存在。这是目前技术最成熟、研发投入最大的路线。

• 托卡马克

托卡马克（Tokamak）源于俄语“环形磁室”的缩写，由苏联科学家在20世纪50年代发明。其核心结构是环形真空室，外部缠绕多层磁场线圈，通电后产生环形磁场与极向磁场，叠加形成螺旋形磁力线，将等离子体牢牢“捆扎”在真空室中心。

图：托卡马克基本结构

资料来源：《J-TEXT托卡马克偏滤器位形的模拟与实现》

目前全球约50%的聚变实验装置采用托卡马克路线，包括国际热核聚变实验堆（ITER）、中国EAST、欧盟联合欧洲环（JET）、韩国KSTAR等核心装置。其优势在于理论体系完善、工程实践丰富，是目前最接近实现能量增益的技术路线。

但托卡马克也存在明显短板：一是脉冲运行模式，传统托卡马克的磁场线圈多为脉冲式，每次放电只能持续数十秒到数分钟，而商业电站需要24小时稳态供电；二是等离子体不稳定性，环形结构易导致边缘“撕裂模”等扰动，影响约束效果和运行安全。

国内商业公司积极布局托卡马克变体：星环聚能采用球形托卡马克路线，量奇点聚焦高温超导托卡马克。

• 仿星器/螺旋器

仿星器（Stellarator）的设计思路与托卡马克截然不同，它通过扭曲的环形真空室结构，配合外部螺旋线圈，直接产生三维螺旋磁场，无需依赖等离子体自身电流就能实现稳定约束。

这一设计的最大优势是天然支持稳态运行 -- 仿星器的磁场完全由外部线圈提供，不存在电流带来的不稳定性，理论上可以实现长时间连续运行，完美匹配商业电站的需求。德国的Wendelstein 7-X（W7-X）是目前最先进的仿星器装置，已实现100秒稳态等离子体运行，验证了该路线的可行性。

但它自身也面临严峻挑战：工程复杂度极高，三维扭曲的真空室和高精度线圈对加工工艺要求苛刻，制造成本昂贵；且等离子体性能相对托卡马克略低，能量增益效率有待提升。

2.2 惯性约束

惯性约束聚变核心逻辑是“瞬间压缩”-- 将氘氚燃料制成直径仅数毫米的靶丸，用多路高能激光或粒子束从四面八方同时轰击靶丸表面。靶丸外壳吸收激光能量后快速升温膨胀，产生向内的巨大冲击波，将靶丸核心压缩至密度超过铅的100倍，同时温度飙升至1亿摄氏度以上，在惯性作用下维持极端条件，触发聚变反应。这一过程仅持续十亿分之一秒，却能在极小空间内释放巨大能量。

美国国家点火装置（NIF）是惯性约束路线的代表，其拥有192束高能激光，总输出功率可达500万亿瓦，2022年的净能量增益突破，证明了该路线的科学可行性。

但惯性约束目前面临两大工程挑战：一是激光能量转换效率低，NIF激光系统总能耗超过300兆焦，而聚变输出仅3.15兆焦，工程增益极低；二是重复频率不足，当前每发次间隔需数小时，而商业电站需要每秒10-20发次的连续运行，激光冷却、靶丸装填等技术尚未突破。目前激光点火技术因能量转换效率低，主要服务于军事模拟目的，商业发电应用仍存争议。

2.3 新兴路线与混合方案

除了两大主流路线，一批融合两者优势的新兴技术路线正在崛起，试图通过跨界创新突破传统瓶颈：

• Z 箍缩技术：利用大电流通过等离子体柱产生的自箍缩效应，压缩并加热等离子体，具有结构相对简单、能量密度高的特点。安东聚变成为国内首家Z箍缩聚变商业化公司，2025年获近亿元首轮融资。

• 球形托卡马克：托卡马克的变体，采用球形真空室结构，能以更小的体积实现更高的等离子体压缩比，降低建造成本，英国MAST-U、美国NSTX-U是该路线的核心装置。

• 场反位形（FRC）：通过射频加热产生自约束的等离子体结构，无需复杂的外部环形磁场，装置体积极为紧凑，适合小型化商业应用。2025年，中国首台商业化直线型场反位形聚变装置（瀚海聚能HHMAX-901主机）成功实现等离子体点亮，标志着该路线取得重大突破。

表 可控核聚变主流技术路线核心参数

各技术路线的竞争，本质上是一场“谁能最先实现经济可行商业化”的赛跑。正如一位资深聚变科学家所言：“我们不知道哪把钥匙能打开聚变能源的大门，所以明智的做法是多试几把。”多条路线并行探索，既分散了风险，也能加速整个行业的技术迭代。

 03  发展简史

可控核聚变的发展历程，是一部跨越百年的全球科学探索史。从理论构想到实验突破，从国家博弈到国际合作，每一步都凝聚着人类对终极能源的执着追求。

3.1 早期探索与理论奠基

可控核聚变的理论源头，始于对恒星能量来源的探索。1920年，英国天体物理学家爱丁顿首次提出猜想：恒星的能量可能来自氢原子核的聚变反应。这一假说在1930年代得到验证，物理学家汉斯·贝特等人完善了恒星内部氢聚变生成氦的理论模型，明确了聚变反应的能量释放机制，为后续研究奠定了理论基础。

1950年代，冷战核竞赛的开启为聚变研究注入了第一股动力。美苏英等国纷纷启动秘密聚变研究计划，试图将核聚变技术应用于军事领域。1952年，美国成功进行了世界上第一次氢弹试验，验证了核聚变的巨大能量释放潜力，但这种不可控的爆炸形式显然无法用于能源生产。此后，各国开始转向可控核聚变研究，磁约束、惯性约束等技术路线的雏形逐渐形成。

3.2 国际大科学工程的时代

随着聚变研究的工程化需求日益凸显，单一国家的资源已难以支撑大型装置的建设，国际合作成为必然趋势。其中，国际热核聚变实验堆（ITER）是迄今为止最具雄心的国际合作项目。

ITER的倡议始于1985年，由美苏两国领导人共同提出，旨在联合全球力量建造一个可实现能量增益的示范聚变堆。参与方包括中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国，几乎涵盖了全球主要经济体。项目总投资额超220亿欧元，装置选址于法国卡达拉舍，核心目标是实现Q=10的能量增益，输出500兆瓦聚变功率，验证聚变能源的科学和工程可行性。

尽管ITER面临预算超支、进度延误等挑战（原计划2016年完成组装，目前推迟至2028年），但其意义重大。作为人类历史上最复杂的科学工程之一，ITER的建设过程积累了海量的工程数据和技术经验，推动了超导材料、特种金属、大功率电源等关键领域的技术突破，为全球未来聚变电站奠定了坚实基础。中国负责了9%的投资，通过参与项目显著提升了自身技术实力。

3.3 国家力量的展示

在国际合作之外，各国也通过自主研发的实验装置，展开了激烈的技术竞争，形成了各具特色的发展格局：

• 美国：凭借NIF的点火成功，确立了在惯性约束领域的绝对领先地位；同时通过DIII-D托卡马克装置，在磁约束等离子体控制技术方面保持强劲实力，形成“双路线并行”的优势。

• 中国：实现了从“跟跑”到“并跑”乃至部分“领跑”的转变。通过EAST、HL-2A/HL-2M、J-TEXT等系列装置，在高温等离子体长脉冲运行、先进约束模式等领域取得多项世界纪录。2025年，中国成立“可控核聚变国家队”-- 中国聚变能源有限公司，获中核集团、中国核电等投资114.92亿元，加速聚变堆商业化；上海、合肥、成都等城市出台专项政策布局，形成区域竞争态势，如合肥规划Base装置以对标成都的环流三号。

• 欧盟：依托联合欧洲环（JET）保持了托卡马克研究的传统优势。JET是目前运行中的最大托卡马克装置，曾多次创造聚变功率输出纪录，为ITER提供了大量关键技术验证数据。

• 日本与韩国：聚焦特定技术方向实现突破。日本的JT-60SA装置在等离子体参数精确控制方面独具特色，韩国的KSTAR装置则在高参数长脉冲运行方面表现突出，成为亚洲聚变研究的重要力量。

小结

可控核聚变正站在从科学研究向工程技术转变的历史拐点。NIF的净能量增益突破验证了“聚变能获取”的可行性，EAST的长脉冲运行攻克了“稳定约束”的核心难题，两大突破形成共振，彻底激活了全球市场的信心。

如今，技术突破、资本涌入与政策支持形成三重合力，加速推动行业发展。全球已有超过40家商业聚变公司，累计融资超50亿美元；中美欧日韩等主要经济体纷纷将聚变能源列为国家战略，加大研发投入；超导材料、先进制造等配套产业的进步，持续降低装置成本和技术门槛。

聚变工业协会（FIA）报告显示，45家受访公司中多数共识在2040年前实现并网发电，其中28家预计在2030-2035年达成；高温超导和混合堆技术有望加速商业化进程，但材料、能源供应等挑战仍需全球科研人员和企业共同攻克。

正如一位资深聚变科学家所言：“我们正在经历的，可能是人类能源史上最激动人心的时期。未来的史学家可能会把2020年代标记为聚变时代的真正开端。”不可否认的是，可控核聚变的发展窗口已经打开，一场关乎人类能源未来的革命，正在加速到来。

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