可控核聚變原理、實現方式及優勢有哪些？

核聚變是兩個輕原子核結合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程。

核聚變反應發 生在一種等離子體的物質狀態中，等離子體是一種由正離子和自由移動的電子組成的高溫 帶電氣體，具有不同于固體、液體和氣體的獨特性質。可控核聚變指的是在人為控制下實 現核聚變反應，從而安全、有效地利用其釋放的巨大能量，可控核聚變原理等價于太陽等 恒星的能量產生方式。其原理具體為輕原子核（如氫的同位素氘和氚）在高溫高壓下結合 形成較重的原子核（如氦），并釋放出大量能量的過程。這個過程模仿了太陽和其他恒星 的能量產生方式，其中，D 代表氘，T 代表氚，He 代表氦，n 代表中子，其反應方程為：

D + T → He + n + 能量

可控核聚變的燃料一般是氫的同位素，主要為氘（D）和氚（T）。其中，氘是氫的同位素， 具有一個質子和一個中子，它在自然界中較為豐富，通常從海水中提取；氚是氫的另一種 同位素，同樣具有一個質子和兩個中子，但氚在自然界中相對稀少，需要通過中子與鋰反 應來生產。

全球核聚變正處于快速發展階段。根據 Wikipedia 和 EURO fusion 數據表明，核聚變研究 在過去幾十年中取得了顯著進步，尤其是在脈沖持續時間方面。從最初的幾秒到如今的數 分鐘，再到未來預計的數千秒，每一步進展都標志著技術的飛躍和控制能力的提升。1980 年代的歐洲聯合環形加速器（JET）僅能維持幾秒鐘的脈沖，而到 2017 年，中國的實驗先 進超導托卡馬克（EAST）已實現了 101 秒的持續時間，2021 年更是突破至 1056 秒。與此 同時，韓國的 KSTAR 在 2020 年和 2022 年也分別達到了 30 秒和 100 秒的高溫等離子體維 持時間。2021 年，美國國家點火裝置實現了一次歷史性突破，在一次實驗中釋放的能量達 到了點火條件的 70%，這是向可控核聚變邁進的重要里程碑。這些進展不僅展示了各國在 核聚變研究中的競爭與合作，也表明了全球在這一領域的快速發展。展望未來，國際熱核 實驗反應堆（ITER）計劃在 2025 年實現 400 秒的脈沖持續時間，并在 2035 年前達到 3000 秒的目標。這樣的發展速度反映了核聚變能量在逐步接近可行的商業化應用，為實現可持 續的清潔能源提供了堅實的基礎。

可控核聚變常見的三種實現方式分別為引力約束、磁約束和慣性約束。磁約束通過強磁 場將高溫等離子體限制在特定區域，常見裝置有托卡馬克和仿星器；慣性約束利用強 激光或粒子束在極短時間內壓縮燃料小球，使其發生聚變反應；引力約束則主要在天 體如恒星內部，通過強大引力實現聚變反應，但在地球上無法實現這種方式。因此， 可控核聚變目前人工的方式主要為磁約束和慣性約束。

引力約束主要在恒星內部自然發生，人工基本無法完成。在恒星內部，引力將大量的氫原 子壓縮在一起，使得核心區域的溫度和壓力達到極高水平，足以引發核聚變反應。例如， 在太陽的核心溫度高達 1500 萬℃，其巨大的質量（約為地球質量的 33 萬倍）產生強大的 引力，使得外層的氫不斷向中心擠壓，形成極高的密度。在這種高溫高壓環境下，氫原子 核被剝離電子形成裸核，并且由于太陽具有足夠長的能量約束時間，核聚變反應能夠持續 進行。 慣性約束是一種利用粒子的慣性來實現核聚變的方法。通過多束激光或粒子束從各個方向 同時照射一個微小的聚變燃料丸（通常是氘和氚的混合物），在瞬間注入大量能量，使其 達到極高的溫度和壓力。這種極高的壓力使燃料的密度在極短時間內達到極限，產生劇烈 的壓縮。由于粒子的慣性，它們會在極短時間內繼續被壓縮，為核聚變反應提供條件。該 方法通過控制多次瞬間的不可控小規模核聚變反應來實現總體的核聚變能量輸出。其技術 難點在于需要在點火瞬間迅速達到高溫，并且燃料丸必須具有足夠的密度來維持足夠長的 反應時間。代表實驗裝置有國家點火裝置（NIF）、歐洲的 HiPER 項目、我國的神光計劃等。 慣性約束的優點在于發生設備可以做到小型化，且開、關火控制性能也較好，適合未來用 在飛行器等領域，但其缺點是需要激光點火，對能量要求較高。

磁約束核聚變利用強磁場來約束粒子，是國內目前側重研發的核聚變方式。磁約束聚變原 理為利用磁場對帶電粒子產生的洛倫茲力，即等離子體中的離子和電子所產生的力，來限 制它們的運動，使等離子體保持在高溫、高密度的狀態，足以發生核聚變反應。主要裝置 包括托卡馬克和仿星器：托卡馬克通過環形磁場和等離子體內部電流共同維持穩定性，而 仿星器則利用復雜的三維磁場結構自然穩定等離子體，這些裝置需要高強度的磁場和有效 的加熱方法來實現核聚變反應，并且需要精密的診斷技術來監測等離子體的狀態。磁約束 設備相對較大，但其勝在反應的持續性好，相對于慣性約束核聚變不需要反復點火，目前 國內更側重于磁約束核聚變發展。 磁約束聚變已有較長的研究歷史。托卡馬克在 20 世紀 50 年代由蘇聯科學家發明，經過幾 十年的發展，已經形成了比較成熟的技術體系。同時，磁約束聚變裝置能夠維持較長時間 的等離子體穩定性。例如，托卡馬克裝置通過強大的磁場將等離子體長時間維持在極高溫 度下，這對于實現持續穩定的核聚變反應至關重要。相比之下，慣性約束聚變需要在極短 時間內（納秒級）同時施加大量能量，這使得控制和維持反應變得更加困難。磁約束聚變實驗通常使用較大型的裝置，能夠進行多次實驗和優化，而慣性約束聚變依賴于精密的激 光或其他能量驅動裝置，如美國的國家點火裝置（NIF）。這些設備的復雜性和成本使得大 規模、長期的研究較為困難 。

托卡馬克是重要的磁約束核聚變實現裝置。托卡馬克裝置由一個環形真空室和多組磁體組 成，周圍分布著環向場線圈、中心螺管線圈（用于歐姆加熱）和極向場線圈等磁體。通過 在這些磁體中通入電流，產生磁場來激發和控制等離子體，使其在高溫下運行并維持穩定。 在托卡馬克的愿景中，核心目標是將氘氚聚變材料加熱到點火值或更高溫度，并在受控制 條件下維持盡可能長的反應時間，以持續產生聚變能量。即使采用了導電性良好的銅作為 線圈材料，電流巨大仍然導致線圈發熱問題，這限制了磁約束核聚變的長期穩定運行。然 而，超導體具有零電阻效應，且能夠承受更高密度的電流，有利于構建更緊湊、更高場強 的聚變裝置，從而極大地延長了等離子體的約束時間，有效改善了長脈沖穩定運行。因此， 借助高溫超導材料，實現強磁場小型化的托卡馬克技術路徑有望大幅降低聚變裝置的成本， 同時縮短建設周期至 3 到 4 年，大幅壓縮技術迭代周期，使得聚變發電初步具備商業化潛 力。

仿星器在理論上比托卡馬克運行更加穩定，但其成本高、工藝難度大。仿星器是一種更為 復雜的磁約束裝置，與托卡馬克相比，它不需要等離子體中的電流來維持磁場，而是完全 依靠外部磁線圈來產生復雜的三維磁場結構。這種設計可以減少由等離子體電流引起的不 穩定性，但其結構和制造工藝更加復雜。文德爾施泰因 7-X 是目前世界上最大的仿星器， 運行時間上可以達到 30 分鐘以上的連續放電能力。其設計目的是驗證仿星器在長時間連 續運行中的穩定性和效率，其采用復雜的三維磁場結構，可以有效約束高溫等離子體，減 少能量損失和不穩定現象。

可控核聚變發電的安全性、環保性和能量密度相比其他發電方式具有優勢，是人類未來能 源發展的重要方向。能源是現代社會賴以存在和發展的物質基礎，然而目前的多種能源形 式都存在局限。煤、石油、天然氣等化石能源不僅不可再生，而且在使用過程中會產生大量污染；太陽能、地熱、風能和潮汐能等清潔能源則只能在特定區域開發利用；頁巖氣和 可燃冰等新型能源也面臨枯竭的風險。根據中國能源網，在這種供需背景下，可控核聚變 被視為未來能源的核心方向，被認為有望提供幾乎無限的清潔能源。一旦實現商業規模的 核聚變發電，將有助解決人類面臨的能源短缺問題，為應對氣候變化、保護環境以及解決 貧困與發展問題提供源源不斷的動力，從而改變人類的未來。

從成本端來看，可控核聚變單位發電成本或低于其他清潔能源。根據美國核裂變發電公司 Helion Energy 預估，其提供的發電成本將降低到每千瓦時 1 美分，且其中未計入可能的 國家補貼，而美國目前的平均發電成本為每千瓦時超過 10 美分，并且其中計入了美國政 府所提供的可再生能源補貼。 從國際能源需求端看，全球電能需求持續攀升，火力發電短期無法替代。世界能源結構中， 火力發電仍然占據主導地位，且其比例穩定保持在首位，根據《Electricity Mix》數據顯示， 從 1985 到 2023 年，全球能源消耗持續上升，2023 年燃煤產生電量已經超過 10000 太瓦 時。2023 年燃煤發電量占比依舊高達 35%，燃煤燃氣這兩種主要發電方式，合計占比超 過 65%，火力發電依舊是不可替代的發電方式。燃煤發電由于其高碳排放問題，在許多國 家正逐步減少，以應對氣候變化和減少環境污染的需求；天然氣相比煤炭具有更高的能源 效率和較低的二氧化碳排放，成為一種相對清潔的過渡能源；此外，隨著各國對可再生能 源投資的增加，太陽能、風能、水力發電等清潔能源的比例也在逐年上升，推動全球能源 結構向低碳化和可持續化發展。核能作為一種穩定且低碳的能源形式，也陸續在各個國家 得到重視和發展。