核聚变能，因其资源丰富、环境友好和固有安全等优势，被视为解决21世纪能源安全、环境和气候变化问题的根本途径之一。全球公众和行业对此新能源的研发持续关注。特别是在2022年12月，美国国家点火装置（NIF）的实验中实现了1.53倍的能量增益，这标志着激光驱动的惯性约束聚变在物理和工程技术方面取得了显著进展。尽管NIF的实验显示聚变能首次超过了激光输出能量，但从能量盈亏角度来看，聚变能的工程应用仍面临长路漫漫。
在国际舞台上，包括美国、日本、俄罗斯在内的主要发达国家，以及我国，都在积极研发惯性约束聚变和磁约束聚变技术。我国在惯性约束聚变领域拥有自主的“神光”系列装置，2015年建成的“神光-Ⅲ”主机装置，当时是世界第二大激光驱动器，也是亚洲最大的高功率激光装置。目前，“神光-Ⅲ”在世界排名中位列第三，仅次于NIF和法国的兆焦耳激光装置，其峰值功率达到60 TW，输出能力位居世界第二，标志着我国在该领域的研究规模和水平已跻身国际第一梯队。
尽管惯性约束聚变技术在核武器研究中具有重要应用，但磁约束核聚变被普遍认为更有可能率先实现聚变能源的商业化利用。因此，西方国家如美国高度重视磁约束核聚变的发展，并计划在2045年前后实现核聚变能的应用。这些国家的技术路线主要是通过国际热核聚变实验堆（ITER）计划来获取实验堆的设计和建造经验，同时利用本国的大型托卡马克装置来积累燃烧等离子体物理、控制和运行经验，并针对ITER合作中未能解决的关键技术进行集中攻关。
ITER结构示意图，摘自科学通报
近年来，商业资本正迅速涌入核聚变领域，显示出对这一未来能源技术的极大兴趣。截至2022年7月底，全球已经成立了超过30家民营商业核聚变公司，它们大多计划在2030至2035年前后实现核聚变技术的商业应用。这些公司采取的技术路线多样，非常分散，包括磁约束、惯性约束以及磁惯性约束聚变等，技术线路多达21种。在燃料选择上，除了传统的氘氚聚变，还有氢硼聚变、氘氦3聚变等多种形式。
民营资本的加入对核聚变领域的研发具有积极的推动作用，多样化的技术探索有助于加速聚变能应用的实现。然而，也存在一些风投性的资本运作，它们所宣称的目标往往过于乐观，实现难度较大。例如，美国核聚变初创公司Helion Energy与微软签订了全球首份聚变购电协议，预计在2028年向微软提供50000 kW的聚变能电力。Helion Energy采用的是氘氦3聚变技术，尽管该技术在反应过程中不产生中子，也无需消耗氚，但所需的等离子体温度远高于氘氚聚变，目前看来，短期内达到这一温度水平存在很大挑战。
美国加速核聚变能商业化进程的政策与立法举措
今年6月，美国在白宫峰会上展示了其加速核聚变能发展的决心，并支持了一个雄心勃勃的十年愿景。为了实现这一目标，国际核聚变工业协会（FIA）向国会提议了30亿美元的补充拨款。这一财政支持的提议反映了美国政府和工业界对核聚变能源潜力的高度认可和对其未来发展的承诺。
紧接着，在6月18日，美国参议院以88票赞成、2票反对的跨党派投票结果，通过了S.870《消防拨款和安全法案》，其中引人注目的是包含了《聚变能法案》。
法案通过后不久，聚变工业协会于6月24日发布了《聚变能源商业化》文件。这份文件详细阐述了一系列政策激励措施，旨在促进聚变产业的发展，为核聚变技术的商业应用铺平道路。
此外，早在2022年3月，美国政府就已召开白宫峰会，呼吁来自政府、企业、研究机构等不同领域的合作伙伴加强合作，共同加速推进核聚变能的商业化应用。这次会议的召开，凸显了核聚变研发已经成为全球能源领域关注的焦点。
尽管核聚变能的发展前景令人兴奋，市场上也存在一些混乱或矛盾的信息，这可能会给公众带来困惑。然而，通过政府的积极引导、立法的支持、以及行业内部的合作，核聚变能的发展正在逐步走向成熟，朝着实现清洁、可持续能源供应的目标稳步前进。
中国磁约束核聚变研究的发展历程与技术突破
中国的磁约束核聚变研究已经走过了60多年的发展历程，形成了一个由专业院所主导，众多高校和研究机构共同参与的技术开发体系。核工业西南物理研究院和中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所等专业机构在这一过程中发挥了关键作用。目前，中国运行中的磁约束聚变大科学装置包括HL-2A、EAST装置以及新一代"人造太阳"（HL-2M）装置。
HL-2A作为中国首个具有偏滤器位形的托卡马克装置，在2003年实现了国内首次偏滤器位形放电。该装置上发展的超声分子束粒子注入技术，具有国际原创性和自主知识产权，已被国际上多个磁约束聚变装置采用。近年来，HL-2A实现了归一化环向比压超过3的先进运行模式。
EAST作为国际上首个全超导托卡马克装置，自2006年首次运行以来，在长脉冲运行方面取得了显著进展，处于世界先进水平。2021年12月，EAST实现了1056秒的长脉冲运行，刷新了此前102秒的世界纪录。2023年4月，EAST再次刷新纪录，实现了超过400秒的高约束H模放电。
EAST装置（参观日）
HL-2M（现正式命名为HL-3）是中国目前设计参数最高、规模最大的"人造太阳"装置。自2020年建成以来，HL-2M在2022年实现了等离子体电流突破1.15 MA，创造了中国核聚变装置运行的新纪录。该装置设计的最大等离子体电流可达3 MA，归一化比压βN可超过3，等离子体离子温度可达1.5亿°C，聚变三乘积可达1021 m-3·keV·s量级，接近聚变"点火条件"，是我国目前具备堆芯级燃烧等离子体运行能力的科研平台。
运行中的环流三号（HL-3）
在聚变装置建设和运行需求的推动下，相关单位全面推进了聚变关键技术的研发，包括聚变等离子体加热技术、诊断技术、超导强磁场技术、等离子体运行与控制技术等。同时，我国也布局了聚变材料研发、氚自持相关技术、聚变堆总体设计等ITER未完全覆盖技术的研发，并取得了显著进展，为解决聚变堆面临的挑战问题并最终实现聚变能的应用奠定了基础。
核聚变能研发仍面临的主要挑战
在建设聚变示范电站并实现聚变能应用的道路上，中国与国际上的主要国家共同面临一系列技术挑战。目前，这些挑战被普遍认为是三大核心问题：首先是以燃烧等离子体为核心的物理挑战，其次是以抗中子辐照为核心的聚变堆用材料挑战，最后是以产氚包层为核心的氚自持技术挑战。
除了这三大技术难题，聚变堆的建设还面临着其他诸多困难。例如，目前国际社会尚未建立一套专门适用于聚变堆的安全法规和准则体系。这种体系的建设是一个长期过程，需要持续的时间积累和不断的迭代改进。
在应对这些挑战的过程中，中国与全球聚变研究界正在共同努力，通过科技创新和国际合作，逐步克服障碍，推动聚变能从理论走向实际应用，以期最终实现清洁、可持续的能源解决方案。
展望
在中国聚变能研发的领域，业界普遍认同的路线图展望了一个宏伟的时间表：计划在2045年左右实现聚变演示发电，并在2055年前后投入运营聚变电站。虽然这一时间节点可能看起来相当紧迫，似乎是根据最为乐观的预期来设定的，但重大科技探索项目本质上就伴随着不确定性，这也正是科技进步的魅力之一。
我国聚变能研发路线简图，摘自科学通报
总体而言，这些目标是经过努力可以实现的。一方面，中国聚变能研发的规划与大多数国家的进度保持了良好的一致性。另一方面，随着国际热核聚变实验堆（ITER）计划的进展和国内研究设施的投入使用，我们为实现这些目标打下了坚实的基础。尽管抗辐照材料的研究可能仍是一个关键的变数，但在未来20年内，我们完全有理由期待取得重大突破。
随着国家对能源结构转型需求的日益迫切，以及对聚变研究支持力度的不断加大，加之全球范围内在装备制造、新型材料、人工智能等领域的科技进步，这些因素都将为聚变能的发展提供强有力的支持。通过各方的共同努力，我们有理由相信，聚变能服务于人类的梦想将能够早日变为现实。
特别声明：以上观点取自核工业西南物理研究院刘永等人在《科学通报》发表观点文章《磁约束核聚变能》
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