“人造太陽”，何時點亮萬家燈火
來源：人民日報 時間：2026-04-29 17:44
圖①：在北京舉辦的2026年中國國際核工業(yè)展覽會上的國際熱核聚變實驗堆模型。圖②：鳳麟核穩(wěn)態(tài)聚變中子源大型科學(xué)裝置“麒麟光一號”。唐克攝（影像中國）
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(nèi)不斷取得重要進(jìn)展，技術(shù)路線日益多元、創(chuàng)新主體競相涌現(xiàn)，加速從科學(xué)可行邁向工程驗證。在這一領(lǐng)域，中國研究水平持續(xù)提升、國際影響力穩(wěn)步增強(qiáng)，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(yīng)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(jì)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(jī)制——
努力讓這團(tuán)“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(yùn)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(nèi)部這種釋放能量的機(jī)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(yùn)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(shù)運(yùn)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(fù)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(zhì)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(xué)家想出了各種妙招，一種常見思路是讓這團(tuán)“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(qiáng)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(shè)計，當(dāng)前匯聚七方30多國、正在法國南部建設(shè)的國際熱核聚變實驗堆（ITER）是規(guī)模最大、最具標(biāo)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行。
對磁約束路線而言，核聚變發(fā)電的前提是，這種反應(yīng)能夠在高參數(shù)下持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)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(yùn)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(yùn)行的重要基礎(chǔ)，“人造太陽”的技術(shù)可行性正在被一步步證實。
多元技術(shù)路線并行——
有的依靠強(qiáng)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(shù)路徑更加多元，多種聚變路線正并行推進(jìn)、競相突破。
與托卡馬克這一大型復(fù)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(shù)路線受到越來越多關(guān)注。它不依賴托卡馬克通常采用的中心螺線管結(jié)構(gòu)，而是使等離子體能夠自組織形成閉合的磁場結(jié)構(gòu)，可在相同磁場條件下努力實現(xiàn)更高壓強(qiáng)，這為裝置緊湊化和降低單位功率建設(shè)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(jī)“北極星”已成功觀察到氘氚聚變信號，這意味著裝置內(nèi)發(fā)生了可測量的聚變反應(yīng)。美國TAE技術(shù)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(jìn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(yùn)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(yùn)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(biāo)的綜合評價，被視為衡量聚變裝置性能的核心標(biāo)準(zhǔn)）世界紀(jì)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(yùn)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(nèi)把燃料迅速壓縮、加熱，從而觸發(fā)聚變反應(yīng)，這就是慣性約束聚變。其中最受關(guān)注的一種實現(xiàn)方式，是利用高能激光來驅(qū)動燃料內(nèi)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(nèi)將其壓縮到比太陽核心還致密的狀態(tài)，誘發(fā)聚變反應(yīng)。一次實驗釋放的能量達(dá)到8.6兆焦，約相當(dāng)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(jié)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(jìn)一步提高到4倍以上，再次驗證了激光聚變點火的可重復(fù)性，標(biāo)志著實驗室點火研究推進(jìn)到更高水平。
還有團(tuán)隊另辟蹊徑，用電流產(chǎn)生的強(qiáng)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(shù)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(qiáng)等關(guān)鍵指標(biāo)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?qiáng)磁場將高溫燃料托住、穩(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(nèi)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(shù)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(dǎo)、國際合作、商業(yè)參與匯聚合力，中間技術(shù)和平臺“沿途下蛋”加快產(chǎn)業(yè)運(yùn)用
當(dāng)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(dǎo)、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(jìn)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(yīng)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(shù)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(jìn)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(jìn)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(shù)更快走向?qū)嵱抿炞C。在這一進(jìn)程中，人工智能正成為點亮“人造太陽”的關(guān)鍵新變量。人工智能有望在海量材料與結(jié)構(gòu)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(yù)測預(yù)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(jié)構(gòu)布局和運(yùn)行模式打開更多可能。
總體而言，當(dāng)前可控核聚變能研究整體上仍處于從科學(xué)可行向工程驗證跨越的關(guān)鍵階段。NIF等最新進(jìn)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(cè)穩(wěn)定供能的實現(xiàn)；ITER最新調(diào)整后的時間表也表明，其研究運(yùn)行預(yù)計到2034年啟動、氘氚實驗運(yùn)行預(yù)計到2039年展開，龐大復(fù)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(zhuǎn)向更貼近工程實現(xiàn)的關(guān)鍵問題，如等離子體穩(wěn)態(tài)運(yùn)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(jì)性等，這些仍是國際普遍公認(rèn)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(biāo)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(yīng)等待最終電站的建成。事實上，在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化路徑上，一些聚變相關(guān)的中間技術(shù)和平臺已開始用“沿途下蛋”的思路打開現(xiàn)實應(yīng)用空間。例如由我國鳳麟核團(tuán)隊研發(fā)的高性能聚變中子源等相關(guān)技術(shù)，已在無損工業(yè)檢測與安全、高端醫(yī)療健康等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，取得了顯著應(yīng)用成效。這種“以途促終”的模式，有助于形成技術(shù)演進(jìn)促進(jìn)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(shù)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。（作者為中國科學(xué)院院士、國際核能院院士）（吳宜燦）
責(zé)任編輯：于彤彤
