近年来，关于可控核聚变的研究消息可谓是捷报频传，我国的“东方超环”和“环流三号”托克马克大科学装置，在高约束模等离子体模式下实现了长脉冲、大电流、先进磁场结构等一系列新的突破；虽然国际热核聚变堆（ITER）的运行计划从2020年可能推迟到了2039年，但中国聚变工程实验堆(CFETR)已明确2035年左右建成、2050年实现聚变电网的目标；随着民间资本的投入，越来越多的国内外商业公司也加入了核聚变的赛道，可控核聚变的时代似乎正在加速到来。为什么可控核聚变如此受到关注？实现可控核聚变的方案有哪些？未来我们对可控核聚变还将有什么值得期待的地方？
大家好！我是中国科学院物理研究所的研究员——罗会仟。这次，我们来聊聊人工可控核聚变现状与未来。
一般来说，核能的利用主要有三类：核衰变、核裂变和核聚变。核衰变能源可以放出核辐射，但单位时间释放的能量有限，仅在一些低能耗、长周期的环境下使用，例如核能电池；核裂变就是利用中子等“炮弹”轰击铀、钚、钍等重原子核，原子核裂成更小质量的核，在释放能量的同时释放更多的中子去轰击其他原子核，从而发生链式反应并持续不断输出能量。核裂变是目前实现原子能发电的主要方式，但是伴随着核污染风险和核废料处理难题，要大规模用起来还十分令人担忧；核聚变就是一些轻元素核，如氢及其同位素氘和氚，在高温高压等离子体情形下合并成新的原子核，同时释放大量的能量。可控核聚变的优势在于它产生的中子是短寿命的，一旦等离子体的温度或密度降低到阈值以下，核聚变会即刻停止，辐射也很快消失，所以是当之无愧的清洁能源。
我们在地球上利用的能源，追根溯源的话，几乎都来自于太阳——那是一个巨大的核聚变“火球”。太阳辐射主要以光的形式传播到地球表面，造就了气候、环境和生命的演化。科学们早就设想将核聚变实现人工可控，从而实现“人造太阳”造福人类未来。但是，要实现能量稳定输出的可控人造太阳，远远比造一颗不可控的氢弹要难得多，因为太阳的核心温度是上千万摄氏度，压力更是达到了恐怖的3000亿个大气压，要想在地球上实现这种条件，比登天还难。更何况，要“点着”一个人造太阳，至少需要上亿摄氏度的温度，根本无法直接接触任何容器。不过，科学家们有办法！
目前实现可控核聚变的主要方案之一是磁约束核聚变，其中最接近成熟的技术是托克马克方案：借助极向磁场和环向磁场双重配合，将一束高温等离子体约束在真空环境中，只要氘-氚等离子体密度和温度达到阈值，就可以实现核聚变。由于等离子体处于强约束状态下和容器壁几乎不接触，所以即便上亿度高温也不怕。原则上，托克马克的聚变功率正比于体积的一次方和磁场强度的四次方，要实现可控核聚变的或许需要15 T约束磁场、100 kA等离子体电流和10 米左右的直径。在有限体积下实现核聚变，要么是尽可能提高磁场强度，要么大幅度提高电流密度，同时还要约束维持等离子体密度，然后维持状态足够长时间，并且让温度足够高，才可实现氘一氚自持核聚变反应，最终达到“点火条件”：聚变堆内阿尔法粒子的自加热功率大于等于韧致辐射功率损失和热传导功率损失之和。
目前正在建设的ITER装置就是典型的托克马克，磁场达到了11.8 T，单个磁体就足足有三层楼高，整个装置体积庞大、造价昂贵、建造工艺复杂。为了降低成本，科学家们提出了新的“紧凑型”托克马克方案：用高温超导磁体替代传统低温超导磁体，极大地提升磁场强度，同时去掉内核插件，仅用3.5米左右的球形腔实现聚变反应。这种球形托克马克装置的等离子体体积占比更高，堆功率更高，降温和散热更为便捷，但狭小的空间意味着设计难度更大。目前我国的多家商业公司如星环聚能、能量奇点、新奥集团等都是走的这条路线，英国的STEP计划也提出要在2040年实现100 MW发电的目标。
除了托克马克之外，可控核聚变的方案还有很多。例如早在上世纪50年代，科学家就提出了“仿星器”的方案——借助三维扭曲的磁体构造出一个环形磁场的“磁瓶”来约束等离子体。仿星器具有天然稳态运行、高密度等优点，而且不需要依赖强大的内部等离子体电流来维持稳定。虽然仿星器因技术原因起步较晚，随着高温超导磁体技术的发展，也有可能会带来新的机遇。
还有其他的磁约束方案，比如“磁靶聚变”装置（MTF），在一个球形腔体内充满熔融的液态铅锂，借助200个活塞传递压力到反应球中心来压缩等离子体。不需要像托克马克那样依赖于反应过程中子逃逸轰击锂内衬产生氚核素，这种多活塞式聚变装置可以在自身反应区就产生氚，使聚变持续进行。他们计划2030年左右实现聚变电网。还有更激进的方案，就是尝试硼-11（B-11）和氢（H-1）的核聚变，彻底摆脱对氚这种特殊燃料的依赖，但可能需要10亿度以上的高温。
不同于磁约束核聚变，惯性约束核聚变是另一种可行方案，即利用超强超短激光脉冲对一团氘-氚等离子体进行反复冲击压缩，促使它们在能量尚未耗散之前就产生聚变反应，从而实现“点火”。2022年，美国国家点火装置（NIF）宣称利用2.05MJ激光能量输入获得了3.15MJ聚变能输出，实现了“净能量增益”，不过他们并没计入产生激光所消耗的能量。我国的神光系列装置也具有类似的科学研究内容。
中国作为国际热核聚变实验堆（ITER）建设成员之一，除了参与关键磁体的研制和聚变建设，在我国自主建设的 “东方超环”(EAST)和“环流三号”（HL-3）等托克马克装置上也不断取得相关实验的进展。2023年4月12日，EAST成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，创造了托卡马克装置高约束模式运行新的世界纪录。2023年8月25日，HL-3首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，并于2024年6月首次实现了一种先进磁场结构。预计2025年，位于安徽合肥庐阳的“聚变堆主机关键系统综合研究设施”将建成，全力保障中国聚变工程实验堆(CFETR)的建设和前期实验任务。CFETR的规模要比ITER大一些，聚变功率将首先达到100-200 MW，并在2040年左右达到1 GW，在2050年前实现聚变发电。最终，原型聚变电站（PFPP）计划于2060年左右建成，将全面开启中国磁约束聚变的商业化路线。
可以预期，未来20-30年左右，人工可控核聚变有望成为现实。（文章内容来源于星空计划。）