可控核聚变原理、实现方式及优势有哪些？

核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。

核聚变反应发 生在一种等离子体的物质状态中，等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温 带电气体，具有不同于固体、液体和气体的独特性质。可控核聚变指的是在人为控制下实 现核聚变反应，从而安全、有效地利用其释放的巨大能量，可控核聚变原理等价于太阳等 恒星的能量产生方式。其原理具体为轻原子核（如氢的同位素氘和氚）在高温高压下结合 形成较重的原子核（如氦），并释放出大量能量的过程。这个过程模仿了太阳和其他恒星 的能量产生方式，其中，D 代表氘，T 代表氚，He 代表氦，n 代表中子，其反应方程为：

D + T → He + n + 能量

可控核聚变的燃料一般是氢的同位素，主要为氘（D）和氚（T）。其中，氘是氢的同位素， 具有一个质子和一个中子，它在自然界中较为丰富，通常从海水中提取；氚是氢的另一种 同位素，同样具有一个质子和两个中子，但氚在自然界中相对稀少，需要通过中子与锂反 应来生产。

全球核聚变正处于快速发展阶段。根据 Wikipedia 和 EURO fusion 数据表明，核聚变研究 在过去几十年中取得了显著进步，尤其是在脉冲持续时间方面。从最初的几秒到如今的数 分钟，再到未来预计的数千秒，每一步进展都标志着技术的飞跃和控制能力的提升。1980 年代的欧洲联合环形加速器（JET）仅能维持几秒钟的脉冲，而到 2017 年，中国的实验先 进超导托卡马克（EAST）已实现了 101 秒的持续时间，2021 年更是突破至 1056 秒。与此 同时，韩国的 KSTAR 在 2020 年和 2022 年也分别达到了 30 秒和 100 秒的高温等离子体维 持时间。2021 年，美国国家点火装置实现了一次历史性突破，在一次实验中释放的能量达 到了点火条件的 70%，这是向可控核聚变迈进的重要里程碑。这些进展不仅展示了各国在 核聚变研究中的竞争与合作，也表明了全球在这一领域的快速发展。展望未来，国际热核 实验反应堆（ITER）计划在 2025 年实现 400 秒的脉冲持续时间，并在 2035 年前达到 3000 秒的目标。这样的发展速度反映了核聚变能量在逐步接近可行的商业化应用，为实现可持 续的清洁能源提供了坚实的基础。

可控核聚变常见的三种实现方式分别为引力约束、磁约束和惯性约束。磁约束通过强磁 场将高温等离子体限制在特定区域，常见装置有托卡马克和仿星器；惯性约束利用强 激光或粒子束在极短时间内压缩燃料小球，使其发生聚变反应；引力约束则主要在天 体如恒星内部，通过强大引力实现聚变反应，但在地球上无法实现这种方式。因此， 可控核聚变目前人工的方式主要为磁约束和惯性约束。

引力约束主要在恒星内部自然发生，人工基本无法完成。在恒星内部，引力将大量的氢原 子压缩在一起，使得核心区域的温度和压力达到极高水平，足以引发核聚变反应。例如， 在太阳的核心温度高达 1500 万℃，其巨大的质量（约为地球质量的 33 万倍）产生强大的 引力，使得外层的氢不断向中心挤压，形成极高的密度。在这种高温高压环境下，氢原子 核被剥离电子形成裸核，并且由于太阳具有足够长的能量约束时间，核聚变反应能够持续 进行。 惯性约束是一种利用粒子的惯性来实现核聚变的方法。通过多束激光或粒子束从各个方向 同时照射一个微小的聚变燃料丸（通常是氘和氚的混合物），在瞬间注入大量能量，使其 达到极高的温度和压力。这种极高的压力使燃料的密度在极短时间内达到极限，产生剧烈 的压缩。由于粒子的惯性，它们会在极短时间内继续被压缩，为核聚变反应提供条件。该 方法通过控制多次瞬间的不可控小规模核聚变反应来实现总体的核聚变能量输出。其技术 难点在于需要在点火瞬间迅速达到高温，并且燃料丸必须具有足够的密度来维持足够长的 反应时间。代表实验装置有国家点火装置（NIF）、欧洲的 HiPER 项目、我国的神光计划等。 惯性约束的优点在于发生设备可以做到小型化，且开、关火控制性能也较好，适合未来用 在飞行器等领域，但其缺点是需要激光点火，对能量要求较高。

磁约束核聚变利用强磁场来约束粒子，是国内目前侧重研发的核聚变方式。磁约束聚变原 理为利用磁场对带电粒子产生的洛伦兹力，即等离子体中的离子和电子所产生的力，来限 制它们的运动，使等离子体保持在高温、高密度的状态，足以发生核聚变反应。主要装置 包括托卡马克和仿星器：托卡马克通过环形磁场和等离子体内部电流共同维持稳定性，而 仿星器则利用复杂的三维磁场结构自然稳定等离子体，这些装置需要高强度的磁场和有效 的加热方法来实现核聚变反应，并且需要精密的诊断技术来监测等离子体的状态。磁约束 设备相对较大，但其胜在反应的持续性好，相对于惯性约束核聚变不需要反复点火，目前 国内更侧重于磁约束核聚变发展。 磁约束聚变已有较长的研究历史。托卡马克在 20 世纪 50 年代由苏联科学家发明，经过几 十年的发展，已经形成了比较成熟的技术体系。同时，磁约束聚变装置能够维持较长时间 的等离子体稳定性。例如，托卡马克装置通过强大的磁场将等离子体长时间维持在极高温 度下，这对于实现持续稳定的核聚变反应至关重要。相比之下，惯性约束聚变需要在极短 时间内（纳秒级）同时施加大量能量，这使得控制和维持反应变得更加困难。磁约束聚变实验通常使用较大型的装置，能够进行多次实验和优化，而惯性约束聚变依赖于精密的激 光或其他能量驱动装置，如美国的国家点火装置（NIF）。这些设备的复杂性和成本使得大 规模、长期的研究较为困难 。

托卡马克是重要的磁约束核聚变实现装置。托卡马克装置由一个环形真空室和多组磁体组 成，周围分布着环向场线圈、中心螺管线圈（用于欧姆加热）和极向场线圈等磁体。通过 在这些磁体中通入电流，产生磁场来激发和控制等离子体，使其在高温下运行并维持稳定。 在托卡马克的愿景中，核心目标是将氘氚聚变材料加热到点火值或更高温度，并在受控制 条件下维持尽可能长的反应时间，以持续产生聚变能量。即使采用了导电性良好的铜作为 线圈材料，电流巨大仍然导致线圈发热问题，这限制了磁约束核聚变的长期稳定运行。然 而，超导体具有零电阻效应，且能够承受更高密度的电流，有利于构建更紧凑、更高场强 的聚变装置，从而极大地延长了等离子体的约束时间，有效改善了长脉冲稳定运行。因此， 借助高温超导材料，实现强磁场小型化的托卡马克技术路径有望大幅降低聚变装置的成本， 同时缩短建设周期至 3 到 4 年，大幅压缩技术迭代周期，使得聚变发电初步具备商业化潜 力。

仿星器在理论上比托卡马克运行更加稳定，但其成本高、工艺难度大。仿星器是一种更为 复杂的磁约束装置，与托卡马克相比，它不需要等离子体中的电流来维持磁场，而是完全 依靠外部磁线圈来产生复杂的三维磁场结构。这种设计可以减少由等离子体电流引起的不 稳定性，但其结构和制造工艺更加复杂。文德尔施泰因 7-X 是目前世界上最大的仿星器， 运行时间上可以达到 30 分钟以上的连续放电能力。其设计目的是验证仿星器在长时间连 续运行中的稳定性和效率，其采用复杂的三维磁场结构，可以有效约束高温等离子体，减 少能量损失和不稳定现象。

可控核聚变发电的安全性、环保性和能量密度相比其他发电方式具有优势，是人类未来能 源发展的重要方向。能源是现代社会赖以存在和发展的物质基础，然而目前的多种能源形 式都存在局限。煤、石油、天然气等化石能源不仅不可再生，而且在使用过程中会产生大量污染；太阳能、地热、风能和潮汐能等清洁能源则只能在特定区域开发利用；页岩气和 可燃冰等新型能源也面临枯竭的风险。根据中国能源网，在这种供需背景下，可控核聚变 被视为未来能源的核心方向，被认为有望提供几乎无限的清洁能源。一旦实现商业规模的 核聚变发电，将有助解决人类面临的能源短缺问题，为应对气候变化、保护环境以及解决 贫困与发展问题提供源源不断的动力，从而改变人类的未来。

从成本端来看，可控核聚变单位发电成本或低于其他清洁能源。根据美国核裂变发电公司 Helion Energy 预估，其提供的发电成本将降低到每千瓦时 1 美分，且其中未计入可能的 国家补贴，而美国目前的平均发电成本为每千瓦时超过 10 美分，并且其中计入了美国政 府所提供的可再生能源补贴。 从国际能源需求端看，全球电能需求持续攀升，火力发电短期无法替代。世界能源结构中， 火力发电仍然占据主导地位，且其比例稳定保持在首位，根据《Electricity Mix》数据显示， 从 1985 到 2023 年，全球能源消耗持续上升，2023 年燃煤产生电量已经超过 10000 太瓦 时。2023 年燃煤发电量占比依旧高达 35%，燃煤燃气这两种主要发电方式，合计占比超 过 65%，火力发电依旧是不可替代的发电方式。燃煤发电由于其高碳排放问题，在许多国 家正逐步减少，以应对气候变化和减少环境污染的需求；天然气相比煤炭具有更高的能源 效率和较低的二氧化碳排放，成为一种相对清洁的过渡能源；此外，随着各国对可再生能 源投资的增加，太阳能、风能、水力发电等清洁能源的比例也在逐年上升，推动全球能源 结构向低碳化和可持续化发展。核能作为一种稳定且低碳的能源形式，也陆续在各个国家 得到重视和发展。