在劉慈欣的科幻小說《三體》中

太空飛船核聚變發(fā)動機發(fā)出的光芒如同太陽

推動人類走出地球家園，走向廣袤宇宙

如今

這幅壯觀的畫面不再僅僅是科幻作家的想象

而是正在一步步走向現(xiàn)實

"人造太陽"中國環(huán)流三號

2025年5月，一則振奮人心的消息傳來：

我國新一代"人造太陽"中國環(huán)流三號（HL-3）實現(xiàn)了百萬安倍億度的H模，即裝置同時實現(xiàn)等離子體電流一百萬安培、離子溫度一億度的高約束模式運行。

綜合參數(shù)聚變三乘積再創(chuàng)新高，達到10的20次方量級；之前，中國環(huán)流三號在國內首次實現(xiàn)離子溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的"雙億度"重大突破。

與此同時，中國東方超環(huán)（EAST）在今年1月也首次實現(xiàn)超過億度1066秒長脈沖高約束模等離子體運行，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置新的世界紀錄。

這些成就意味著什么？

為什么科學家們如此執(zhí)著于

追逐"人造太陽"？

核聚變能源又將如何改變人類的未來？

讓我們一起走進這個

充滿奇跡與希望的科技前沿。

核聚變能與托卡馬克：裝進盒子里的太陽

太陽通過原子核的核聚變產生能量，把氫原子聚變成氦原子。在它的核心，太陽發(fā)生以每秒鐘6.2億噸氫的核聚變。（圖片來源：NASA）

萬物生長靠太陽。太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱，是因為其內部持續(xù)進行著核聚變反應。

在太陽核心區(qū)域，在極高的溫度（約1500萬攝氏度）和壓力下，氫原子核不斷碰撞融合成氦原子核，同時釋放出巨大的能量。

這種能量以光和熱的形式傳遞到太陽表面，再輻射到太空中，滋養(yǎng)著地球上的一切生命。

核裂變（左）與核聚變（右） （圖片來源：U.S. Department of Energy）

核聚變，是將較輕的原子核聚合反應而生成較重的原子核，并在此過程中釋放出巨大能量的過程。

與我們熟知的核裂變（如核電站和原子彈使用的技術）不同，核聚變不是將重原子核分裂，而是將輕原子核融合。

如果將核裂變比作是"劈柴"，那么核聚變就像是"點燃氫氣球"。前者是將"大木頭"劈成小塊釋放能量，后者則是將"小氣泡"融合成大氣泡并釋放能量。

氘-氚 （D-T）的核聚變反應產生氦（He）與中子（n），期間釋放出的核能，在核聚變發(fā)電中具有較大的反應截面以及較低的粒子能量需求，是目前考慮中的未來主要能源。（圖片來源：維基百科）

人類對核聚變的認識始于上世紀中葉。

1952年，世界上第一顆氫彈成功試爆，讓人類認識到氘氚核聚變反應的巨大能量。但氫彈爆炸是不可控的核聚變反應，不能提供穩(wěn)定的能源輸出。

從此，科學家們便致力于在地球上實現(xiàn)人工控制下的核聚變反應（即可控核聚變），希望利用太陽發(fā)光發(fā)熱的原理，為人類鋪展能源自由之路。

然而，要在地球上實現(xiàn)可控核聚變，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

太陽可以依靠其巨大的質量產生強大的引力場，將氫氣壓縮到極高的溫度和密度，從而實現(xiàn)核聚變。但在地球上，我們無法復制這種條件。

科學家們提出了多種方案，其中最有前途的是磁約束核聚變，即利用強大的磁場將高溫等離子體（電離氣體）約束在一個密閉的容器中，使其達到核聚變所需的條件。而托卡馬克（Tokamak）裝置，展現(xiàn)出卓越的等離子體約束能力和穩(wěn)定性，成為等離子體約束研究的主流裝置。

EAST的超導磁體

托卡馬克（Tokamak）一詞源于俄語，是"帶磁線圈的環(huán)形腔"的縮寫。它最初是由蘇聯(lián)科學家在20世紀50年代發(fā)明的，是一種利用磁場約束帶電粒子來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。

托卡馬克的核心是其甜甜圈形狀（環(huán)形）的真空室。在這個真空室內，在極端高溫和壓力下，中性氣體（通常是氘和氚的混合物）變成等離子體。等離子體中的帶電粒子可以被在容器周圍強大磁體形成的螺旋狀磁場所控制，科學家利用這一重要特性將高溫等離子體約束在遠離容器壁的位置。

 電影《鋼鐵俠（Iron Man）》劇照

如果將太陽比作一個自然形成的巨大"磁籠子"，那么托卡馬克就是人類嘗試在地球上建造的微型"磁籠子"。在科幻電影《鋼鐵俠》中，托尼·斯塔克胸前的方舟反應堆，就是一個微型托卡馬克裝置的藝術表現(xiàn)，它通過核聚變反應提供強大而清潔的能源。

星火燎原：中國引領的核聚變突圍戰(zhàn)

實現(xiàn)可控核聚變的條件非?？量蹋@也是為什么在幾十年的研究后，我們仍然沒有實現(xiàn)商業(yè)化的核聚變能源。

英國科學家勞遜在20世紀50年代研究了這一條件的門檻，也被稱為聚變點火條件。

據(jù)計算，實現(xiàn)可觀的氘氚聚變等離子體至少要達到聚變點火條件，即：等離子體密度、溫度和等離子體能量約束時間的乘積（"三乘積"）大于3×1021千電子伏特·秒/立方米。

核聚變反應速率會一直與溫度一起上升，直到最大反應速率溫度后、逐漸下降。DT反應速度峰值的溫度是最低的（約70 keV或八億度k)，而且高于另外的反應。（圖片來源：維基百科）

這個"三乘積"是衡量核聚變裝置及核聚變研究水平的關鍵指標。它包括三個參數(shù)：等離子體離子的溫度、密度和能量約束時間。這三項參數(shù)的乘積達到一定數(shù)值就可以實現(xiàn)核聚變反應。

如果用一個烹飪的比喻來解釋，核聚變就像是一道極其挑剔的料理：溫度必須足夠高（超過1億度），食材必須足夠新鮮（高密度的氘氚燃料），而且必須有足夠長的烹飪時間（能量約束時間）。這三個條件缺一不可，而且都必須達到極高的標準。

然而，要達到這些標準，科學家們面臨著諸多技術難題，使得"三乘積"的實現(xiàn)變得異常艱難。但正是在這些挑戰(zhàn)面前，全球科學家們展現(xiàn)出了非凡的智慧和毅力。

ESAT裝置主機結構（圖片來源：中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所）

中國環(huán)流三號百萬安倍億度的H模，即裝置同時實現(xiàn)等離子體電流一百萬安培、離子溫度一億度的高約束模式運行這一成就意味著中國在等離子體電流驅動技術上已經(jīng)躋身世界前列，為解決非感應電流驅動問題提供了新的思路和方案。之前"雙億度"的重大突破，也為研究阿爾法粒子物理問題提供了理想的實驗平臺。

世界首個全超導托卡馬克裝置EAST（圖片來源：中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所）

同時，東方超環(huán)（EAST）在2025年首次實現(xiàn)超過億度1066秒長脈沖高約束模等離子體運行，再次創(chuàng)造了托卡馬克裝置新的世界紀錄。這一成就表明中國科學家已經(jīng)在長時間維持等離子體穩(wěn)定運行方面取得了突破性進展，充分驗證了聚變堆高約束模穩(wěn)態(tài)運行的可行性。

NIF 的 92束高能激光束會聚在靶室的中心，使微小的氫燃料顆粒內爆并引發(fā)熱核聚變反應。（圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室）

另一方面，國際熱核聚變實驗堆（ITER）的超導磁體系統(tǒng)建造完成，德國W7-X的仿星器方案，美國NIF的點火成功，這些成就都是人類在核聚變道路上邁出的重要一步。

曙光在前：邁向核聚變文明的征程

從人類最初發(fā)現(xiàn)火的那一刻起，能源就一直是推動文明進步的關鍵力量。從柴薪到煤炭，從石油到核能，每一次能源革命都深刻改變了人類社會的面貌。而核聚變能源，有望開啟人類文明的全新篇章。

人造太陽“中國環(huán)流三號”總師鐘武律

目前，關于聚變能源商業(yè)化的預測存在很大差異。

在ITER最近舉行的研討會上，30家私營企業(yè)代表給出的時間從2028年到2040年不等，甚至更久。差異源于技術路徑不同，而每種方法都需解決基礎工程問題，因此商業(yè)化時間難以精確預測。

鐘武律總師認為，可控核聚變要實現(xiàn)商用，要走過大約6個階段。從全球的聚變能研發(fā)進程來看，基本實現(xiàn)了征途過半。

如果核聚變能源成功商用，它將徹底解決能源短缺問題。

核聚變燃料取之不盡、用之不竭，一杯水中的氘就能提供相當于300升汽油的能量。而且核聚變能源清潔環(huán)保，不產生溫室氣體和長壽命放射性廢物，有助于應對氣候變化。

此外，核聚變能源還具有固有安全性，不存在核裂變堆的熔毀風險。

電影《流浪地球》劇照

在更遠的未來，核聚變技術還可能應用于太空探索、海底城市建設等領域。

想象一下，搭載核聚變引擎的宇宙飛船，可以在幾個月內到達火星，甚至飛向更遠的太陽系外行星；依靠核聚變能源的海底城市，可以為人類開辟全新的生存空間。

這些曾經(jīng)只存在于科幻作品中的場景，或許在不久的將來就會成為現(xiàn)實。

作者：楊雨鑫

審核專家：歐靖 中科院等離子體物理研究所副研究員

本文在科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”刊發(fā)，經(jīng)授權發(fā)布