【导语】2025年3月28日，中国成都的“中国环流三号”核聚变装置首次实现了原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”突破，标志着中国在可控核聚变领域迈出了重要一步。这一成就为何如此关键？可控核聚变为何需要如此高温？未来还有哪些挑战与机遇？本期，中国科学院物理研究所研究员罗会仟将带我们深入了解中国可控核聚变的发展历程与未来展望。

2025年3月28日，位于四川成都的新一代人造太阳“中国环流三号”首次实现原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”目标，这意味着中国的可控核聚变向工程化应用迈出了重要的一步。

那么，为什么可控核聚变需要如此高的温度？实现原子核温度和电子温度的“两个亿”意味着什么？未来可控核聚变还有哪些关键步骤要走？

大家好！我是中国科学院物理研究所(suǒ)的(de)研(yán)究(jiū)员(yuán)——罗(luō)会(huì)仟(qiān)。这(zhè)一(yī)期(qī)视(shì)频(pín)，我(wǒ)们(men)来(lái)聊(liáo)聊(liáo)中(zhōng)国(guó)可(kě)控核聚变的发展历程。

早在1919年，阿斯顿和卢瑟福等人就发现原子核的质量(liàng)差(chà)异(yì)。比(bǐ)如(rú)氦(hài)-4原(yuán)子(zi)核(hé)含(hán)有(yǒu)2个(gè)质(zhì)子(zi)和(hé)2个(gè)中(zhōng)子(zi)，可(kě)以(yǐ)看(kàn)做(zuò)是(shì)4个(gè)氢(qīng)原(yuán)子(zi)核(hé)或(huò)2个(gè)氘(dāo)原(yuán)子(zi)核(hé)的(de)组(zǔ)合(hé)，但(dàn)是(shì)简单计算就会发现，氢原子核组合的质量总是多出氦原子核一点点。这意味着，如何实现氢核聚变，那么必将释放能量。根据爱因斯坦的质能方程，这个能量是相当可观的。1934年到1942年，实验上终于实现了氘-氘核聚变反应和氘-氚核聚变反应。人类在1952年制造了第一个不可控的核聚变装置——氢弹，其威力相当于500颗广岛原子弹。

既然核聚变有如此巨大的威力，科学家们早就希望实现人工可控的核聚变，就像可控核裂变反应堆那样持续稳定地提供能源。这种人工可控核聚变装置，又被称为“人造小太阳”。然而，太阳作为一个巨大的核聚变体，内核温度达到了上千万摄氏度，压力达到了3000亿个大气压，要想人造出这么极端条件是十分困难的。

聚变堆里的高温等离子体

原则上，实现核聚变的关键就是要高速运动的原子核尽可能地发生碰撞。氢弹借助了外壳的原子弹爆炸产生的高温高压环境，从而使氘氚核发生聚变。实现人工可控核聚变的首要任务是尽可能地提高原子核的能量，也就是它们的温度；尽可能地提高等离子的密度，也就是单位体积里氘氚核的数量；尽可能地延长稳定约束高温等离子的时间，也就是让聚变有足够的机会发生。所以温度、密度和时间构成了“聚变三乘积”，必须达到一个极高的临界值，也就是2.59 X 10 21m-3s keV。这是什么概念？比如等离子体温度是1.6 亿度，约束时间为1秒，那么需要聚变堆内部的气压达到8.3个标准大气压。如果约束时间达到了1000秒，那么需要的气压可以降低到0.08个大气压，需要的燃料数量也大大降低。但要达到这一点非常困难，因为容器壁必须能抗住极强的核辐射且尽可能避免辐射泄漏。而面对极端高温的等离子，还要借助极低温度的超导磁体（大约处于-269℃的液氦环境）来“强约束”它们，尽可能保持在真空环境中不与容器壁直接接触。最后是要制造出1.6亿度以上的氘氚燃料，也就是达到“点火”的温区。

中国环流三号核聚变装置

上世纪60年代，中国就已经布局了核聚变的相关研究。如今的“核工业西南物理研究院”前身为代号“585所”，位于四川乐山肖坝，悄然在70年代就开始了可控核聚变的探索。1972年，中国环流器一号HL-1批准建设，到1984年9月21日建成运行。1994年，HL-1改造成中国环流器新一号（HL-1M），增加了主动反馈控制。2001年，核工业西南物理研究院整体搬迁到成都。2020年12月4日，中国环流器二号M装置（HL-2M）建成并实现首次放电。2023年8月，“中国环流三号”成功实现100万安培等离子体电流下的高约束运行模式。2025年3月28日， “中国环流三号”首次实现原子核和电子温度均突破一亿度，实现了核聚变综合参数的大幅跃升。迈过这个“双亿度”的门槛，标志着我国聚变装备具备了聚变燃烧相关的高参数运行能力。

为什么说只是具备了聚变燃烧的能力呢？这是因为目前我国的核聚变装置并没有加装氘氚燃料，而是使用氢燃料进行的前期实验。通常来说，核聚变路线有非常清晰的6个阶段：1是原理的探索，2是规模实验的参数积累，3是开展燃烧实验并真正实现聚变反应，4是建造实验堆，5是建造可复制的示范堆，6才是建造可批量化的商用堆。无论是国内还是国外，目前均处于从2到3阶段的过渡，即基本上摸清楚了核聚变的参数，各项指标已经逼近“聚变三乘积”，但尚未开展真正的聚变燃烧实验。国际热核聚变堆（ITER）和中国聚变工程实验堆(CFETR)都是以聚变燃烧实验为核心目标的大科学装置。

近年来，我国的“东方超环”（EAST）实现了1亿度从100秒到400秒再到1000秒的稳定运行，到2025年1月20日，更是创下了1亿度1066秒新纪录。不过EAST的一亿度只是“电子温度”，电子质量是氢原子核（也就是质子）的1/1836，一亿度的目标相对要更容易一些。同步实现原子核温度和电子温度都突破一亿度，才意味着可以进入聚变燃烧实验阶段。原则上，只要加注氘氚燃料，在这个条件下，核聚变就有可能持续发生。不过，氘和氚原子核要比氢原子核重，达到一亿度的高温并且约束住1000秒以上，仍然具有相当大的挑战。

未来，要想实现商业化的可控核聚变堆，仍然需要进一步提升现有聚变实验堆的性能指标，实现更大电流、更高温度和更长时间的稳定运行。让我们一起期待，有朝一日，中国核聚变在东方点亮我们“人造太阳”！

本文为·创作培育计划扶持作品

作者：罗会仟

审核：张双南 中国科学院高能物理研究所 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司