胡忠軍正在測量壓縮機(jī)陰陽轉(zhuǎn)子的新齧合間隙。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所供圖

　　核聚變是未產(chǎn)太陽發(fā)光發(fā)熱的原理，它是業(yè)里指兩個或多個輕原子核，在極高溫度和壓力下，力讓聚合形成重原子核，人造同時釋放巨大能量的太陽核反應(yīng)。核聚變能安全、照進(jìn)清潔，現(xiàn)實幾乎取之不盡、新用之不竭。未產(chǎn)因此，業(yè)里這一人類未來的力讓理想能源也被稱為“人造太陽”。

　　核聚變能如何從實驗室走向產(chǎn)業(yè)，人造何時能走進(jìn)尋常百姓家？太陽記者近日進(jìn)行了采訪。

　　一旦實現(xiàn)商用，將大幅降低人類對化石能源依賴，有望重塑全球能源體係

　　核聚變能之所以被視為“人造太陽”，首先在於它的主要燃料氘（氫的同位素）在地球上“儲量”非常豐富，且分布廣泛。中核集團(tuán)聚變領(lǐng)域首席科學(xué)家段旭如介紹，氘大量存在於海水中，每升海水提取出的氘通過聚變反應(yīng)可釋放相當(dāng)於燃燒300升汽油的能量。

　　其次，核聚變能具有固有安全與環(huán)境友好的特性，因核聚變反應(yīng)需上億攝氏度高溫等非常苛刻的條件，如出現(xiàn)反應(yīng)故障會因不滿足反應(yīng)條件而自動停止，無熔毀風(fēng)險。此外，沒有長壽命的放射性產(chǎn)物，運行過程也不產(chǎn)生溫室氣體。“因此，核聚變能一旦實現(xiàn)商用，將大幅降低人類對化石能源依賴，有望重塑全球能源體係，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展。”段旭如說。

　　當(dāng)前，我國多個核聚變裝置加快建設(shè)，科研、工程和產(chǎn)業(yè)發(fā)展同步推進(jìn)。四川成都，新一代“人造太陽”中國環(huán)流三號突破“雙億度”，預(yù)計到2027年將開展燃燒等離子體實驗研究；安徽合肥，全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置實現(xiàn)1億攝氏度上千秒的穩(wěn)態(tài)運行，世界首個緊湊型聚變能實驗裝置項目也在加快建設(shè)。

　　“核聚變本質(zhì)是恒星供能反應(yīng)，想要實現(xiàn)自持聚變，須在高溫、高密度電離氣體（等離子體）環(huán)境下達(dá)成反應(yīng)條件。”中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員胡忠軍介紹，現(xiàn)有核聚變主流路線分為磁約束（以托卡馬克、仿星器為代表）、慣性約束（以激光驅(qū)動靶丸為代表）兩大類，還有磁化靶聚變等新概念方案。

　　其中，托卡馬克磁約束核聚變是當(dāng)前較有希望率先實現(xiàn)核聚變能應(yīng)用的技術(shù)路線。圍繞該技術(shù)路線，中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院（以下簡稱“西物院”）、中國科學(xué)院等離子體物理研究所（合肥）等單位，在等離子體高參數(shù)和長脈衝運行、聚變堆關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、核心部件研製等方麵取得一係列進(jìn)展。同時，國內(nèi)高校院所積極參與核聚變研究；民營企業(yè)也積極進(jìn)入核聚變能新賽道，多元化技術(shù)路線加快發(fā)展。

　　“一般來說，實現(xiàn)核聚變能的商業(yè)化運用，需要經(jīng)曆6個主要階段，包括原理探索、規(guī)模實驗、燃燒實驗、實驗堆、示範(fàn)堆、商用堆。”西物院聚變科學(xué)實驗所研究室主任肖國梁說，目前我國正處於“燃燒實驗”階段，已具備開展相關(guān)實驗的等離子體參數(shù)及裝置運行等條件。

　　在中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所，科研人員在檢查“人造太陽”高溫超導(dǎo)中心螺管線圈測試平臺。

　　我國在聚變裝置運行、聚變堆關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)等方麵取得了一係列重要進(jìn)展

　　近年來，我國在聚變裝置運行、聚變堆關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)等方麵取得了一係列重要進(jìn)展。

　　前不久，由我國牽頭製定的ISO 19991:2026《聚變技術(shù)—實驗磁約束聚變設(shè)施—聚變裝置用超聲分子束注入加料技術(shù)》正式發(fā)布，這是聚變加料領(lǐng)域首項國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　超聲分子束注入加料技術(shù)，是可控核聚變裝置的關(guān)鍵燃料補給技術(shù)，也是我國原創(chuàng)的先進(jìn)聚變加料技術(shù)，已在國內(nèi)外10餘個磁約束聚變實驗裝置上應(yīng)用。

　　該技術(shù)從原創(chuàng)研究、裝置應(yīng)用到國際標(biāo)準(zhǔn)的跨越，是我國核聚變研究和關(guān)鍵技術(shù)加快突破的縮影。

　　2025年3月，中國環(huán)流三號在國內(nèi)首次實現(xiàn)原子核（離子）1.17億攝氏度、電子1.6億攝氏度的“雙億度”高參數(shù)運行，創(chuàng)下我國聚變裝置運行新紀(jì)錄。2025年5月，該裝置聚變“三乘積”達(dá)10的20次方量級，推動我國聚變快速挺進(jìn)燃燒實驗。

　　在此過程中，高功率微波回旋管、高功率中性束注入加熱係統(tǒng)、提高芯部能量約束的新方法、三光柵精密光譜儀、緊湊型湯姆遜散射多色儀等一大批新原理、新方法、新裝備投入應(yīng)用。

　　高功率回旋管是中國環(huán)流三號裝置電子回旋共振加熱係統(tǒng)的核心生命部件，曾長期依賴進(jìn)口。2020年，西物院團(tuán)隊開啟了一場以全套電子回旋係統(tǒng)國產(chǎn)化為目標(biāo)的科研攻關(guān)，準(zhǔn)備攻克係統(tǒng)最後一個技術(shù)堡壘。

　　回旋管是一根高2米多、重300多公斤的金屬圓筒，看似毫不起眼，其實內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其精密複雜，技術(shù)壁壘極高。“光物理特性分析、研究，我們就花了3年多的時間。怎麼匹配物理特性及工程實現(xiàn)，從設(shè)計到工藝我們更是嚐試了無數(shù)次。”中核集團(tuán)學(xué)科帶頭人、中國環(huán)流三號電子回旋加熱係統(tǒng)總師黃梅回憶。

　　探索與優(yōu)化協(xié)同推進(jìn)，製造與迭代設(shè)計同步進(jìn)行，經(jīng)過反複嚐試，科研人員終於研製出高功率微波回旋管。這一突破，讓我國站到了億攝氏度高溫這一核聚變領(lǐng)域的最前沿。

　　作為複雜的係統(tǒng)工程，核聚變能在材料、低溫、磁體、測試和控製等方麵，同樣催生了大量的技術(shù)和工程需求。

　　“可控核聚變超導(dǎo)強(qiáng)磁場的實現(xiàn)依賴於液氦溫區(qū)到液氫溫區(qū)的低溫環(huán)境。隨著核聚變能的發(fā)展，低溫製冷係統(tǒng)的規(guī)模也在不斷增大。”胡忠軍舉例，在大型低溫係統(tǒng)中，氦氣壓縮機(jī)是核心動力設(shè)備。

　　多年來，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所深耕螺桿氦氣壓縮機(jī)技術(shù)。2015年，該所與福建雪人股份有限公司成立聯(lián)合實驗室，一起攻關(guān)大型螺桿氦氣壓縮機(jī)技術(shù)。他們打破傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計上低轉(zhuǎn)速原則的固有思維，開發(fā)出適用於小分子量氣體壓縮的新型轉(zhuǎn)子型線，解決了氦氣容易泄漏和絕熱指數(shù)大帶來壓縮熱大的難題，有效提高了氦氣壓縮機(jī)的效率和可靠性，形成了係列工業(yè)化產(chǎn)品，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

　　發(fā)展核聚變能，我國有何優(yōu)勢？段旭如表示，我國擁有完整的核工業(yè)體係和豐富的核工程經(jīng)驗，要發(fā)揮企業(yè)在工程設(shè)計、材料生產(chǎn)、裝備製造等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)賦能優(yōu)勢，聚焦核工程技術(shù)在聚變堆全生命周期的關(guān)鍵作用，推進(jìn)我國核聚變能高質(zhì)量發(fā)展。

　　工程化實踐已形成堅實基礎(chǔ)，正朝著建設(shè)工程實驗堆、商業(yè)示範(fàn)堆的目標(biāo)穩(wěn)步邁進(jìn)

　　從全球看，聚變能商業(yè)化已形成加速態(tài)勢。據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)《2025年世界聚變展望》報告，全球有近40個國家推進(jìn)聚變計劃。

　　然而，聚變能商業(yè)化仍麵臨多重挑戰(zhàn)。其中，科學(xué)與技術(shù)層麵亟須突破燃燒等離子體穩(wěn)態(tài)運行、耐高能中子轟擊及高熱負(fù)荷材料等難題；產(chǎn)業(yè)生態(tài)上，還需解決產(chǎn)供鏈成熟性、經(jīng)濟(jì)可承受性、投資可持續(xù)性、監(jiān)管可適配性等問題。

　　“我國聚變工程化實踐已形成堅實基礎(chǔ)，正朝著建設(shè)工程實驗堆、商業(yè)示範(fàn)堆的目標(biāo)穩(wěn)步邁進(jìn)。”段旭如表示。

　　“我國將核聚變能列為前瞻布局的未來能源戰(zhàn)略重要環(huán)節(jié)，並加快聚變科學(xué)、工程能力建設(shè)。國內(nèi)聚變發(fā)展以國家科研體係和重大科學(xué)裝置為牽引，形成從基礎(chǔ)物理實驗、關(guān)鍵係統(tǒng)綜合驗證到燃燒等離子體及工程堆研究的遞進(jìn)路徑，並通過重大裝置投資、專項研發(fā)、產(chǎn)業(yè)集群、公共平臺、供應(yīng)鏈本土化等，落實為具體工程任務(wù)。”胡忠軍認(rèn)為。

　　機(jī)遇與挑戰(zhàn)並存。肖國梁介紹，近年來，人工智能已經(jīng)在等離子體運行監(jiān)測、控製及不穩(wěn)定性預(yù)測等研究中獲得初步驗證，有望解決等離子體控製難題，並在聚變堆係統(tǒng)研發(fā)、運維等方麵展現(xiàn)出很大的發(fā)展空間和潛力。高溫超導(dǎo)磁體如果取得突破，將可以提供更強(qiáng)磁場，有望大幅提升等離子體性能，從而使得未來聚變堆規(guī)模變得更加緊湊，縮短建造周期與降低成本，加速技術(shù)迭代。

　　在核聚變領(lǐng)域，民營企業(yè)的探索也有進(jìn)展。比如，諾瓦聚變能源科技（上海）有限公司開發(fā)出了場反位形小型模塊化反應(yīng)堆（FRC—SMR）核聚變實驗裝置諾瓦一號。

　　諾瓦聚變公共事務(wù)負(fù)責(zé)人梅華燈介紹，諾瓦一號融合現(xiàn)有磁約束與慣性約束技術(shù)的優(yōu)勢，利用脈衝反應(yīng)能量直接發(fā)電，可用氘氚、氘氦3等多種燃料，目標(biāo)是實現(xiàn)高密度、7×24小時穩(wěn)定、零碳、靠近用戶、成本有競爭力的算電協(xié)同商業(yè)化應(yīng)用。今年已順利完成四大核心部件國產(chǎn)化突破，目前開始總裝集成，10月裝置進(jìn)入投用測試階段，並計劃在2027年實現(xiàn)1億攝氏度聚變溫度。

　　發(fā)展核聚變離不開全球科技合作。自2006年我國參加國際大科學(xué)工程國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃以來，上百家國內(nèi)企業(yè)和單位參與了ITER項目，涵蓋材料研發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)與工藝開發(fā)、加工製造以及聚變堆集成安裝等任務(wù)。中國科學(xué)家和工程師作出的貢獻(xiàn)，有力推動了ITER計劃的發(fā)展，也得到了全球高度評價。

　　“國際磁約束受控核聚變研究始於上世紀(jì)50年代，如今已來到世界範(fàn)圍內(nèi)開放合作、共同參與的研究階段。”段旭如說，核聚變能承載著解決能源短缺、氣候變化等人類共同難題的使命，開放合作是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的必然選擇。