全球可控核聚變能研發(fā)不斷取得重要進展，技術路線日益多元，創(chuàng)新主體競相涌現(xiàn)
“人造太陽”，何時點亮萬家燈火
能源是人類社會發(fā)展的永恒主題。近年來，有著“人造太陽”之稱的可控核聚變能研發(fā)在全球范圍內不斷取得重要進展，技術路線日益多元、創(chuàng)新主體競相涌現(xiàn)，加速從科學可行邁向工程驗證。在這一領域，中國研究水平持續(xù)提升、國際影響力穩(wěn)步增強，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)也在持續(xù)加大投入，力求在新一輪能源革命中占據(jù)主動。同時也應看到，可控核聚變能從實驗室走向電網(wǎng)仍面臨不少物理、工程與經(jīng)濟挑戰(zhàn)，其商業(yè)化仍是一項需要長期投入的跨代工程。
模擬太陽發(fā)光發(fā)熱機制——
努力讓這團“火球”懸浮在空中，不碰壁、不熄滅，保持長時間穩(wěn)定約束、高性能運行
什么是“人造太陽”？太陽之所以發(fā)光發(fā)熱，是因為其核心在極高的溫度和壓力下，將氫原子核“揉”在一起，聚合成氦原子核，并在此過程中釋放出巨大能量。由于模擬了太陽內部這種釋放能量的機制，可控核聚變能被形象地稱為“人造太陽”。它的主要燃料之一——氘可從海水中提取，資源豐富；運行過程既不排放二氧化碳，也不會像傳統(tǒng)裂變核電那樣產(chǎn)生大量高活度、長壽命的放射性廢物。這一技術運用一旦取得突破，有望為人類提供持續(xù)穩(wěn)定的清潔能源。
不過，人類要想在地球上復制這種能量釋放過程，難度極大：需要把燃料加熱到上億攝氏度，讓物質變成一種由大量帶電粒子組成的特殊狀態(tài)，叫作“等離子體”。但是任何固體材料都無法通過直接接觸來長期承受這種高溫。怎么辦？科學家想出了各種妙招，一種常見思路是讓這團“火球”懸浮在空中，不碰壁、不熄滅。
幾十年來，主流的方法是用強大的磁場把等離子體“托”起來，像一個無形的籠子把它穩(wěn)穩(wěn)包住。這種聚變方式被稱為磁約束聚變，其中典型的一類裝置叫“托卡馬克”。自1988年啟動設計，當前匯聚七方30多國、正在法國南部建設的國際熱核聚變實驗堆（ITER）是規(guī)模最大、最具標志性的托卡馬克工程。2023年，日本與歐盟合建的JT—60SA裝置建成并實現(xiàn)首次等離子體放電，法國的WEST裝置于2025年實現(xiàn)1337秒等離子體持續(xù)運行。我國的“東方超環(huán)”和“環(huán)流三號”也是這類裝置的代表，2025年“東方超環(huán)”實現(xiàn)上億攝氏度、1066秒的穩(wěn)態(tài)高性能等離子體運行，“環(huán)流三號”實現(xiàn)離子溫度1.17億攝氏度、電子溫度1.6億攝氏度運行。
對磁約束路線而言，核聚變發(fā)電的前提是，這種反應能夠在高參數(shù)下持續(xù)穩(wěn)定地進行，而不是像“放炮仗”一樣瞬間熄滅。上述一系列突破，體現(xiàn)了高溫等離子體在長時間穩(wěn)定約束、高性能運行等方面的成果，這是未來聚變電站實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行的重要基礎，“人造太陽”的技術可行性正在被一步步證實。
多元技術路線并行——
有的依靠強磁場將高溫燃料托住穩(wěn)住，有的利用激光或電流對燃料瞬時擠壓加熱
如今，通往“人造太陽”的技術路徑更加多元，多種聚變路線正并行推進、競相突破。
與托卡馬克這一大型復雜系統(tǒng)路線相比，場反位形等裝置更緊湊、迭代更快的新技術路線受到越來越多關注。它不依賴托卡馬克通常采用的中心螺線管結構，而是使等離子體能夠自組織形成閉合的磁場結構，可在相同磁場條件下努力實現(xiàn)更高壓強，這為裝置緊湊化和降低單位功率建設成本提供了可能。2023年，美國赫利昂能源公司與微軟簽署全球首份面向未來商業(yè)的聚變購電協(xié)議。今年2月，該公司宣布其原型機“北極星”已成功觀察到氘氚聚變信號，這意味著裝置內發(fā)生了可測量的聚變反應。美國TAE技術公司也在利用數(shù)字仿真和人工智能持續(xù)優(yōu)化等離子體控制，推進其商業(yè)化路線圖。
仿星器則是一種外形似麻花的磁約束裝置，其磁場結構復雜，理論上更有利于把高溫等離子體中的粒子和能量更長時間地“留住”，從而提升裝置持續(xù)運行能力。2025年，德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所的W7—X裝置在長脈沖（即較長時間持續(xù)放電）運行條件下創(chuàng)造了三乘積（對等離子體溫度有多高、密度有多大、能量保持多長時間這三項指標的綜合評價，被視為衡量聚變裝置性能的核心標準）世界紀錄，并將高性能等離子體狀態(tài)維持了43秒，這表明仿星器在長時間穩(wěn)定運行方面展現(xiàn)出越來越突出的潛力。
另一大類重要思路則是在極短時間內把燃料迅速壓縮、加熱，從而觸發(fā)聚變反應，這就是慣性約束聚變。其中最受關注的一種實現(xiàn)方式，是利用高能激光來驅動燃料內爆。2025年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（NIF）利用192束高能激光同時轟擊一顆裝有不足1毫克氘氚燃料、比芝麻還小的靶丸，在數(shù)十億分之一秒內將其壓縮到比太陽核心還致密的狀態(tài)，誘發(fā)聚變反應。一次實驗釋放的能量達到8.6兆焦，約相當于一臺1000瓦電暖器連續(xù)工作2個多小時所消耗的電能。這次實驗結果表明，聚變釋放的能量不僅超過了注入靶丸的激光能量，這種能量增益更進一步提高到4倍以上，再次驗證了激光聚變點火的可重復性，標志著實驗室點火研究推進到更高水平。
還有團隊另辟蹊徑，用電流產(chǎn)生的強大磁場“箍”住等離子體，像用無形的橡皮筋把它緊緊勒住，這種方法叫“Z箍縮”。美國聚變能源技術公司“扎普能源”近期宣布，其最新一代“FuZE—3”裝置在等離子體壓強等關鍵指標上取得突破，提升了Z箍縮等離子體的穩(wěn)定性，也展現(xiàn)出這一路線在推動裝置緊湊化方面的潛力。
這些不同路線就像通往山頂?shù)牟煌窂剑河械囊揽繌姶艌鰧⒏邷厝剂贤凶 ⒎€(wěn)住，盡量避免與裝置壁面接觸；有的利用激光或電流在極短時間內對燃料瞬時擠壓、迅速加熱。這種多元并行的探索，為解決可控核聚變能技術在物理、工程等方面的挑戰(zhàn)拓展了更多空間。
創(chuàng)新生態(tài)更加活躍——
國家主導、國際合作、商業(yè)參與匯聚合力，中間技術和平臺“沿途下蛋”加快產(chǎn)業(yè)運用
當前，全球可控核聚變能創(chuàng)新生態(tài)正在發(fā)生深刻變化：國家主導、國際合作、商業(yè)參與等各方力量正加快匯聚，推動核聚變能研發(fā)進入新的活躍期。ITER作為全球規(guī)模最大的能源科技合作項目，匯聚了多國科研力量，共同探索托卡馬克路線下聚變反應的工程可行性。美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)也在不斷加大投入，支持核聚變能技術研發(fā)。我國核聚變能研究已實現(xiàn)由“跟跑”向“并跑”、部分方向進入國際前列，完備的工業(yè)體系優(yōu)勢也正在為核聚變能工程化提供有力支撐。
與此同時，商業(yè)核聚變企業(yè)快速涌現(xiàn)，社會資本紛紛進入，這是全球可控核聚變能創(chuàng)新生態(tài)變化的一個重要表現(xiàn)，有望加速推動可控核聚變能技術更快走向實用驗證。在這一進程中，人工智能正成為點亮“人造太陽”的關鍵新變量。人工智能有望在海量材料與結構方案中，加速篩選耐極端環(huán)境的候選材料，也可為等離子體的狀態(tài)識別、預測預警與輔助控制提供新工具，幫助提升控制的及時性與精度，并為探索新的結構布局和運行模式打開更多可能。
總體而言，當前可控核聚變能研究整體上仍處于從科學可行向工程驗證跨越的關鍵階段。NIF等最新進展更多體現(xiàn)為實驗室尺度下點火與燃燒能力的提升，而非電網(wǎng)側穩(wěn)定供能的實現(xiàn)；ITER最新調整后的時間表也表明，其研究運行預計到2034年啟動、氘氚實驗運行預計到2039年展開，龐大復雜的系統(tǒng)集成難度由此可見一斑。同時，國際聚變研發(fā)重點正逐漸轉向更貼近工程實現(xiàn)的關鍵問題，如等離子體穩(wěn)態(tài)運行、氚燃料自持循環(huán)、耐極端環(huán)境材料、裝置安全性與經(jīng)濟性等，這些仍是國際普遍公認的難點和挑戰(zhàn)?？煽睾司圩兡懿皇菃渭兊母邷貐?shù)或者長脈沖實驗，其目標是打造一種全壽期、安全、可靠的能源系統(tǒng)，其商業(yè)化路徑必然是多方積累、逐步驗證的長期過程。
核聚變能走向產(chǎn)業(yè)化，不應等待最終電站的建成。事實上，在當前產(chǎn)業(yè)化路徑上，一些聚變相關的中間技術和平臺已開始用“沿途下蛋”的思路打開現(xiàn)實應用空間。例如由我國鳳麟核團隊研發(fā)的高性能聚變中子源等相關技術，已在無損工業(yè)檢測與安全、高端醫(yī)療健康等領域實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)轉化，取得了顯著應用成效。這種“以途促終”的模式，有助于形成技術演進促進產(chǎn)業(yè)成長的良性循環(huán)，也可以讓更多公眾了解核聚變能技術的現(xiàn)實價值。
從實驗室點火到電網(wǎng)穩(wěn)定供能，可控核聚變能還需跨越漫漫長路。這是一項跨越代際的探索，更是綜合國力的競爭。相信在全球科研人員的不懈探索下，“人造太陽”的光芒終將照亮未來。（吳宜燦 作者為中國科學院院士、國際核能院院士）