核聚变基本原理、实现路径与项目进展如何？

可控核聚变技术逐步验证，技术、政策、资本多维共振。

1.可控核聚变：基本原理与实现路径？

核聚变反应遵循质能方程：重核裂变、轻核聚变与原子核衰变等过程释放的能量即为核能，其能量大小与反应前后参与反应的原子核的质量差有关，其与原子核的结 合能相关。从平均结合能曲线可看到，中等质量原子核的平均结合能较大，重核裂变或轻核聚变在产生中等质量原子核时会亏损一定的质量，这部分质量将转换为能 量，并在核过程中被释放出来，遵循相对论ΔE=Δmc 2。

单次核聚变的实现过程：聚变需要克服库仑斥力，即使在静电势垒较低的氘-氚（D-T)聚变反应中，也需要5.5-11千万度的高温为粒子提供动能方可克服库仑斥力、进 而发生聚变反应。主要的聚变类型有氘-氚（D-T)、氘-氦3(D-3He)、氢-硼(p-11B)及氘-氘(D-D)聚变。氘-氚（D-T)反应发展成为目前聚变研究的主流路线，主因其相 对其他类型聚变反应所需要的粒子动能更小，可以在较低能量处即拥有较高的反应截面（概率）。

自持核聚变的实现：实现自持核聚变，则需要做到能量增益因子Q=Pout/Pin≥1，才有可能使“点火”后由聚变本身产生的能量来驱动反应持续。以该要求导出自持核聚 变的温度和密度条件，被称作劳森判据。劳森判据由温度、密度和能量约束时间三个参数衡量，三者乘积被称为聚变三乘积，氘-氚（D-T)聚变的三乘积最低，量级为 1021keV·s/m-3,而氢硼反应的三乘积则需达到5×1021keV·s/m-3。因此，氘-氚（D-T)成为世界各国开展聚变研究的主流选择。

2.磁约束性能存在差异，托卡马克成主流路线

从核聚变实现方式上，除了类似于太阳或其他恒星的引力约束外，还有惯性约束和磁约束路线。其中，惯性约束包括激光约束、粒子数约束、Z箍缩驱动及弹丸弹射等; 磁约束装置则主要包括仿星器、磁镜、托卡马克。惯性约束核聚变装置是利用驱动器产生的强激光、电子束或离子束等，从各方向照射到一个极小尺寸的聚变材料靶 体上，使其在极短时间内达到劳逊条件。

磁约束聚变堆原理是利用合适的磁场位型约束高温等离子体，使其达到并维持聚变反应的点火或自持燃烧条件,在氘氚聚变的自持燃烧条件下,无需外部加热,利用聚变 产生的高能量阿尔法粒子自加热等离子体维持等离子体燃烧条件,并将聚变产生的中子携带的能量输出用于发电。

在创造聚变反应环境方面，由于存在粒子逃逸/偏移、等离子体湍流等影响等离子体内部电流稳定性（进而影响高温环境稳定性）和能量约束时间的问题，影响聚变三 乘积表现，因此磁约束装置的演化主要围绕着设计具备最佳约束性能的磁场位形而展开。而托卡马克以一种轴对称的环形磁约束位型,取得了最高的聚变三乘积，并因 其优越的约束和稳定性而迅速发展。

围绕提高等离子体关键参数，国际上先后探索包括仿星器、箍缩、磁镜在内的诸多技术路径，但均未达到期望的等离子体参数。1968年，英国T-3托卡马克实现1keV的 等离子体温度，此后托卡马克成为聚变装置主流研究路线。

3.聚变技术进入工程可行性验证，全球聚变装置数量已达百余个

根据IAEA统计，截至2025年5月，1）全球在运102个聚变装置：分类型看——托卡马克装置/仿星器/激光或惯性约束/其他分别为57/13/6/26个。分国家看——日本/ 美国/俄罗斯/中国最多，分别为22/21/10/8个。2）在建16个聚变装置：托卡马克装置/仿星器/其他装置分别为7/4/5个，主要分部在美国、中国、欧洲、日本等国 家或区域。3）规划48个聚变装置：托卡马克装置/仿星器/激光或惯性约束/其他类型装置分别为15/11/7/15个。

磁约束性能与磁场强弱/装置大小密切相关，基于ITER项目的国际聚变合作已开展20余年。多年实验研究证明，能量约束时间随装置尺寸、等离子体电流等的增加而增 加，装置规模大小与实现可控核聚变反应的难易程度具有较高相关性。基于此，2006年，中国及欧盟等7方签署ITER计划，目标建造一座实验堆以验证聚变堆科学和工 程技术可行性，同时各国以ITER计划为契机规划筹划本国聚变发展路线。ITER的启动意味着磁约束可控核聚变迈入反应堆工程实验阶段。

ITER目标：以50MW的输入加热功率产生500MW的聚变能，即Q=10。其他参数包括：聚变反应基于高温氘氚等离子体，环向强磁场强度达到5.3特斯拉，等离子体电流其 中15MA，实现并验证在400秒的时间内聚变功率增益Q大于10，在3000秒的时间内聚变功率增益大于5，验证点火（自持燃烧）条件所需的Q大于30等条件下聚变实验堆 的科学和工程可行性问题。

各国分工：1）美国：螺线管及支撑结构；2）欧洲：真空室；3）俄罗斯：超导磁体与母线系统；4）中日韩印：托卡马克堆芯关键部件。

ITER最新进展及时间计划：2025年5月ITER完成世界上最强大的脉冲超导磁体系统建造。目前ITER项目已进入组装阶段，正朝着既定目标加速推进。2024年发布新规划： 目标在2035年实现氘-氘聚变实验，并在之后逐步过渡到完整的磁场和等离子体电流的运行。