如果有一天，人类能够像太阳一样，稳定地利用核聚变产生能量，会给我们的生活带来什么变化？
从日常用电、工业生产，到未来不断增长的能源需求，人类社会的发展离不开稳定、充足的能源。
科学家一直在探索新的能源利用方式，而可控核聚变，正是其中备受关注的前沿方向。它模仿太阳内部释放能量的机制，有望为人类提供一种清洁、能量密度高的能源。因为这一设想，人们也常把它称为“人造太阳”。不过，让核聚变反应发生，只是第一步，如何让它稳定运行，并真正将能量转化为可利用的能源，仍是科学家需要攻克的难题。
太阳连同大多数恒星都是由一种称为核聚变的反应提供动力。如果核聚变能够在地球上复制，那么它可以提供几乎无限的清洁、安全和廉价的能源，以满足世界的能源需求。（图片来源：NASA/SDO/AIA）
“十五五”规划纲要明确提出将发展核聚变能列为新的经济增长点。2026年，“可控核聚变的堆级实现”入选2026年世界科技与发展论坛发布的年度“十大科技前瞻”。那么，可控核聚变究竟是怎么回事？它与我们的生活又有什么样的关联？又为什么值得期待？
为此，我们邀请到了中国科学院等离子体物理研究所副研究员陈冉老师和科普主管蔡其敏老师进行解读，帮大家更好地理解可控核聚变堆级及其应用前景。
什么是可控核聚变？
很多人可能听说过核聚变，它是由几个较轻的原子核结合成较重的原子核的过程，在这个过程中，一部分质量亏损会转化成为巨大的能量，比如氢弹爆炸能够释放出巨大的能量，主要靠的就是核聚变。
氘和氚（两种氢的同位素）的混合物将被用来作为未来聚变电厂的燃料。在反应堆内，氘和氚的原子核发生碰撞和聚变，释放出氦和中子以及大量的能量。（图/国际原子能机构/M. Barbarino）
但氢弹爆炸的过程中，核聚变产生的能量是在极短的时间里释放的，如果让这个能量可被控制地安全释放出来，我们才能够更好地加以利用，可控核聚变技术正是用来实现这个目的的。
为了实现可控核聚变，目前主要有两种技术路线：磁约束和惯性约束。
比如，我们国家的“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），就是磁约束路线的代表，它通过稳态的强磁场将燃料（主要是氘）形成的等离子体约束在真空室中，让其稳态运行。
另一条路线是惯性约束，美国的“国家点火装置”（NIF）以及我们国家的“神光II号”装置，就是这条路线的代表。它们通过激光轰击靶丸引发内爆，内爆产生的高温和高压为内部反应物的核聚变反应创造条件。
全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。新华社记者 黄博涵 摄
核聚变落地的核心指标：Q值
无论是哪种技术路线，核心目标都是在受控的条件下让核聚变的能量缓慢释放，进而利用这些能量来发电。
但想做到这一点绝不简单。在核聚变研究中有一个非常核心的指标——Q值（聚变增益）。简单来说，Q值就是核聚变产生的能量与输入能量的比值。当Q值大于1时，意味着输出能量大于输入能量，实现了“净能量增益”。
目前，只有少数惯性约束装置在实验室中实现了Q值大于1（最大能达到4）。在磁约束路线中，实验数据还并未突破Q值大于1这个“大关”，但通过一些实验数据推测，如果替换更合适的反应燃料，Q值理论上也突破了1。这确实给核聚变发电带来了希望，但距离真正的商业发电，依然有一段距离。
“用博尔特的速度跑一个马拉松”
为什么实现核聚变发电这么困难？
陈冉老师举了一个非常形象的例子：想要用核聚变发电，就像用“博尔特的速度去跑马拉松”。
其中，“博尔特的速度”指的是核聚变装置中的等离子体参数（离子温度、离子密度与能量约束时间）要达到非常高的数值，而“跑马拉松”则是装置要能保持长时间稳态运行。
其实已经有很多核聚变实验装置能够实现“博尔特的速度”，但很难让这个“速度”维持足够长的时间。
而我们国家的人造太阳EAST是全超导的实验装置，优势正是能实现“跑马拉松”。目前已经实现了“1亿度”“1000秒”的目标，且实现了高约束模式等离子体运行。
“堆级”实验装置
那么，什么又是“堆级实现”呢？
这里的“堆”，可以简单理解为未来用于利用核聚变能的聚变堆。它不只是要让核聚变反应发生，还需要将反应产生的能量有效利用起来，并具备稳定运行、燃料供应、材料耐受等一系列工程能力。因此，“堆级实现”关注的不只是某项实验指标能否突破，更是能否逐步解决未来聚变堆真正运行所需要的关键问题。
其实，现阶段绝大部分核聚变实验装置与未来的商业聚变堆是有差距的，只能用来验证或者实现堆级的某部分要求。
比如，前面提到的，有些实验装置主要侧重于验证“等离子体参数”，有些则侧重于验证是否能持续稳定运行。
另外，很多实验装置采用的反应原料是氘，在目前的亿度高温情况下氘-氘核聚变反应截面更小，反应率更低，单次释放能量也比氘-氚核聚变更低。因此未来核聚变发电，反应燃料要用氘和氚，氚有超过12年的半衰期，这又需要综合考虑反应装置的氚处理能力，以及维护和安全保障等等。
而且除了这些可预料的问题，在实际的堆级建造过程中还可能会出现之前从未想到过的问题，这些也只能在真实的建造和实验过程中一点点摸索，解决。
所以，很多国家和组织正在积极建设“堆级”实验装置，就是要尽可能去模拟真实的反应堆，去发现和解决核聚变商业化发电中的难点问题。比如由多个国家共同参与的国际热核聚变实验堆（ITER），正在法国建设，就是“堆级”实验装置。
ITER的托卡马克装置的小型模型。图片来源：wikipedia
核聚变能源时代
假如可控核聚变电站真的建成了，它会给我们的生活带来怎样的变化？
从短期来看（接下来的10到20年），核聚变电站将会逐步建设，逐渐发挥能源的作用，而且会不断降低建设成本和运行成本。
从长期来看，人类从古至今使用的绝大部分能源都是化学能，如果核聚变能够普及，人类的主流能源类型将从化学能彻底转向核能。这将极大地提升人类的能源供给能力，毫无疑问会为人类文明带来巨大的飞跃，而且可能会远超我们每一个人的想象。
更安全的核电
核聚变发电站有天然的安全优势，一旦系统出现故障或者断电，反应堆中的等离子体会迅速熄灭，反应会直接终止，不会发生爆炸或者堆芯熔毁的问题。而且反应物和产物相对于传统核裂变发电站更加清洁，拥有更高的选址自由度和安全性。
所以，如果想真正利用核聚变并网发电，我们依然要跨越物理与工程上的重重鸿沟，但可控核聚变的堆级实现毫无疑问是值得被人们关注的“科技前瞻”，每一次堆级技术的突破，都是实现能源飞跃的关键一步。
来源：科普中国
原标题：让“太阳”为人类发电？可控核聚变究竟走到哪一步了？丨科技前瞻
编辑：浪潮
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