一文看懂核聚变！

文/邓卫梅 杨振华

作者供职于中国华电集团战略发展研究中心

“十五五”开局之年，中共中央政治局就前瞻布局和发展未来产业进行第二十四次集体学习，为我国未来产业发展指明方向。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十五个五年规划纲要》明确提出，推动氢能和核聚变能等成为新的经济增长点，可控核聚变入选“十五五”109项重大工程项目。这标志着可控核聚变作为人类迄今构想中最具潜力的终极清洁能源载体，已进入从实验验证向工程化过渡的关键阶段。

系统分析和前瞻布局可控核聚变，既是响应国家战略的要求，也是抢占未来能源竞争制高点、实现可持续发展的重要选择。

01

技术原理和核心挑战

可控核聚变的价值不仅在于能量密度（氘氚反应单位质量释能达铀-235裂变的4倍、化石燃料的千万倍），而且在于其固有安全性（无链式反应失控风险）、资源充裕度（海水中氘储量可供人类使用百亿年、搭配锂增殖技术可实现燃料长期自持）与环境友好性（无长寿命高放废物、无温室气体排放、全生命周期碳排放趋近于零）。

然而，实现受控、稳定、净能量增益的聚变燃烧，绝非单纯的工程放大问题，而是对极端等离子体物理、强场材料科学与多物理场耦合控制理论的系统性挑战，必须准确把握其底层原理与科学判定范式，逐步破解各科学技术和工程应用难题。

（一）劳森判据回答“能否点火”

劳森判据（Lawson Criterion）基于聚变反应功率平衡与能量守恒定律推导得出，1957年由John D.Lawson提出以来，已成为全球聚变研究领域公认的热核点火第一性原理。该判据明确，要实现自持聚变燃烧，等离子体需要同时满足三项极端参数约束——离子温度（Ti）、粒子数密度（ne）与能量约束时间（τE）的三乘积阈值必须超过特定临界阈值。

其物理本质在于，可控核聚变需要将等离子体加热至极端高温以克服原子核间库仑斥力，维持足够等离子体密度以提升核子碰撞反应概率，并保障足够长的能量约束时间以实现持续聚变释能。

值得注意的是，劳森判据并非普适常量，而是高度依赖燃料体系与约束模式。如表1，不同燃料组合因其核反应动力学特性而差异较大。其中，氘氚（D-T）反应因在100～200keV温度区间具有最大反应截面，且单次核反应释放能量高达17.6MeV，成为当前主流装置的首选。

截至目前，日本JT-60U装置氘氘反应三乘积阈值为1.53×10²¹keV·s·m⁻³，欧盟JET装置氘氚反应三乘积阈值为1×10²¹keV·s·m⁻³，均未完全突破自持燃烧理论阈值。

（二）聚变能量增益系数刻画“是否实用”

聚变能量增益系数（Q值）存在多重定义层级，其含义随系统边界的拓展而不同。其中，靶丸增益（Qtarget）仅计算激光/粒子束输入能量与靶丸聚变输出能量之比；等离子体增益（Qplasma）为聚变功率Pfus与等离子体加热功率Pheat之比；工程增益（Qeng）为全系统净电能增益（Pelec,out与Pelec,in之比），需要综合考量聚变热能到电能转换效率（常规朗肯循环约33%，超临界CO₂循环约45%）、中子屏蔽与热交换系统功耗、氚增殖包层能量回收率、激光器/磁体冷却系统能耗等全链条损耗。

除激光惯性约束外，Q值一般指Qplasma，Q值小于1代表能量净亏损，Q值等于1代表科学得失平衡，Q值大于1代表实现净能量增益；而具备工程可行性、商业化发电的聚变堆需要更高Q值。2022年，NIF（美国国家点火装置）激光惯性约束实现靶丸净增益大于1的突破。

（三）三大科学技术和工程应用难题

科学技术层面的“三重未知”。一是等离子体稳态自持燃烧，需要重点攻克等离子体加热约束、α粒子输运损耗、非感应电流驱动、宏观不稳定性调控等核心科学问题。二是聚变堆结构材料，堆芯第一壁、包层、偏滤器等关键部件需耐受高能聚变中子辐照与高热负荷工况，聚变中子诱发的氦脆效应易造成材料损伤，亟须研发抗辐照、耐高温、低活化的专用结构材料。三是氚增殖与自持循环，现阶段燃烧率偏低，氚循环处理量大，包层设计需要统筹中子核反应与热工水力特性，且高温环境下氚渗透风险突出，需要构建规模化、高效率氚回收处置体系，合理控制氚库存规模。

工程应用层面的“三大卡点”。一是大型强场磁体技术。高温超导是实现强磁场的核心，已成为各国研发主流，但在机械应力、失超保护等方面仍需开展系统集成验证。二是等离子体运行与控制。聚变堆具有多参数强耦合、运行工况严苛等特点，易发生等离子体破裂停机，亟须应用AI等技术开展破裂预判与应急调控，保障等离子体长期稳定运行。三是能量的传导与转化。它包括脉冲能量平稳发电、冷却剂工程适配、氚渗透与放射性包容设计、高功率能量转换装备研制等多个方面。

02

多元技术路线发展分析

据IAEA（国际原子能机构）2025年统计，全球在运、在建或规划中的聚变装置超过160座，形成磁约束、惯性约束、磁惯性混合约束三大技术路线并行验证、工程化加速冲刺的发展格局。我国在磁约束路线跻身全球第一梯队，惯性约束路线稳步追赶，混合约束路线加速跟进，从“跟跑并跑”向“部分领跑”跃升。主要技术路线如表2所示。

（一）磁约束路线

托卡马克是全球主流，其工程成熟度、数据库完备性与国际合作深度无可替代，但项目周期长、投资规模大、建设成本高。当前大部分托卡马克装置以低温超导磁体为主，其中ITER（国际热核聚变实验堆）于2025年完成真空室安装，计划2035年启动D-T实验（目标Qplasma=10），将首次验证百兆瓦级燃烧等离子体物理与工程可行性；EAST（东方超环）于2025年实现1亿℃、1066秒高参数运行，为CFEDR（中国聚变工程示范堆）提供关键物理数据库；CFEDR预计在2026年底至2027年初启动建设，是衔接ITER实验堆与未来聚变示范电站的关键工程验证平台。

高温超导托卡马克则采用第二代高温超导带材（REBCO），可将中心磁场强度从传统低温超导的5～6T提升至12～25T，装置体积缩小一个数量级，且建设成本降低40%—60%，是颠覆性创新方向。美国CFS的SPARC装置（2027年目标Qplasma>1）与我国能量奇点“洪荒70”（2024年实现1337秒稳态）均已验证该路径工程的可行性。

仿星器因其通过复杂三维磁场结构可实现等离子天然稳态运行，近年来受到关注。德国W7-X装置在2025年实现43秒的高约束运行，验证了其长脉冲潜力；我国CFQS（中国首台准环对称仿星器）已完成概念设计，计划2027年建成首台工程样机。

（二）惯性约束路线

激光惯性约束（ICF）以超高功率激光驱动微靶压缩点火，优势在于单脉冲能量密度极高，适用于特殊场景（如聚变—裂变混合堆、空间推进）。上海交通大学在神光II装置上验证双锥对撞点火（DCI）方案，加热效率远超NIF，2025年实现中心温度1.5keV、三乘积阈值为7.36×1020keV·s·m⁻³。美国LLNL（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）的“钻石靶”（DiamondAblator）将靶丸能量吸收率提升至92%。日本大阪大学LFEX装置实现1Hz重频输出，但全系统效率仍低于1.5%，制约工程化应用。

（三）混合约束路线

区别于传统大科学装置，混合约束路线绕过传统工程瓶颈，聚焦高价值细分场景。其中，以美国HelionEnergy、中国诺瓦聚变等为代表的场反位形（FRC）路线通过等离子体对撞压缩实现聚变，由质子直接电磁发电；Helion第七代Polaris装置已实现Qplasma=1.07；诺瓦聚变计划2027年实现等离子体1亿℃，2030年建设演示堆。以美国TAETechnologies、中国新奥集团为代表的氢硼燃料聚变路线彻底规避了中子辐照问题，但点火温度要求极高；TAE已建成C-2W装置，2025年实现等离子体温度75MK；新奥集团2026年启动“玄武”实验堆建设。以加拿大GeneralFusion、中科大“曙光”团队为代表的Z箍缩路线试图用液态金属壁实现瞬态高增益。但这些路线最终的可靠性、可工程化乃至产业化前景，有待深入分析。

03

我国可控核聚变产业布局

我国已形成“国家战略引领、区域协同推进、产学研用融合”的聚变发展新格局，初步构建了覆盖基础研究、工程验证、产业配套的全链条推进体系。

（一）合肥打造科研核心承载区

合肥依托近半个世纪的科研深耕，以中国科学院等离子体物理研究所为主导，构建“紧凑型聚变实验装置（BEST）—聚变工程示范堆（CFEDR）—商用聚变堆”三步走发展路径，大科学装置集群优势凸显。

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）持续刷新国际稳态运行纪录，突破多项核心技术；BEST进入工程总装阶段，计划2027年建成投运，2030年实现演示发电；CFEDR将在2026年完成工程设计，2026年底至2027年初启动建设，2035年建成投运并开展大规模科学实验。

同时，合肥聚集了上下游企业近60家。本地核心企业包括夸父超导、中能聚控、星能玄光、曦融兆波、中科离子医学等民营企业；组建了聚变金融联盟，汇集130家金融科创机构（覆盖银行、证券、保险、信托、产业引导基金、科创服务机构等全金融业态），设立了10亿元（15年期）聚变创投基金；建成了多所高校聚变专业学院（合肥工业大学聚变科学与工程学院、合肥理工学院聚变工程学院），拟构建产学研协同人才培养体系，推进创新链、产业链、资金链、人才链四链融合，是国内核聚变产业化核心承载地。

（二）上海建设商业化落地先导区

上海以注册资本150亿元的中国聚变能源（隶属于中核集团）为龙头，培育并集聚了能量奇点、诺瓦聚变等多个技术路线的商业化先导落地。中国聚变能源以磁约束托卡马克为核心，聚焦聚变工程化、商业化；能量奇点建成了全球首台全高温超导托卡马克“洪荒70”，并自主研制21.7特斯拉经天超导磁体，技术指标国际领先；上海交通大学自主研发激光惯性装置双锥对撞点火方案实现重大突破；诺瓦聚变依托场反位形与磁压缩技术的协同创新，聚焦小型模块化、分布式聚变堆的研发。

（三）其他省市构建协同支撑格局

四川依托深厚的高端装备制造产业基础，重点聚焦真空器件、涉氚特种阀门、抗辐照结构材料等核心配套部件研发制造，夯实产业链中游硬件支撑根基，包括核工业西南物理研究院、东方电气、国光电气等；陕西等地重点科研院所深耕等离子体加热、中子学模拟分析、材料辐照测试等细分技术领域，补齐专项技术短板，包括西部超导、星环聚能等；北京依托顶尖高校与国家级科研机构集聚优势，重点强化基础理论研究、行业标准谋划与政策统筹协调，包括清华大学、安泰科技等。

04

相关发展建议

尽管我国可控核聚变研发取得了阶段性突破，但从实验室单次科学突破，走向规模化、稳定化商用发电，仍要跨越科学机理与工程落地双重难关，建议从国家、行业、企业三个层面加快推动。

（一）国家层面强化战略引领

聚焦“十五五”重大工程部署，强化顶层统筹，优化资源配置。一是统筹拓展多元技术路线布局。以磁约束托卡马克为重点方向，稳步推进高温超导等颠覆性技术研发，同时支持惯性约束、混合约束路线差异化发展，既发挥赛马效应，又避免同质化竞争。二是加大科研投入力度。重点支持等离子体稳态控制、抗辐照材料、高温超导磁体等核心领域攻关，布局国家级创新平台，推动产学研协同突破科学与工程难题。三是完善政策保障。制定行业标准与安全规范，优化人才培养体系，引进高端科研人才。四是加强国际合作。参与ITER等国际项目，吸收先进技术经验。五是引导金融资本赋能。扩大聚变创投基金规模，鼓励社会资本参与，完善“科研—工程—产业”全链条资金支持机制。

（二）行业层面聚力协同联动

发挥行业桥梁纽带作用，推动创新链、产业链、资金链、人才链深度融合。一是搭建技术交流与资源共享平台。促进科研机构、企业间的技术合作，加速核心技术成果转化。二是规范行业发展秩序。牵头制定技术标准、安全规范与市场准入准则，引导行业有序竞争。三是聚焦产业链短板。推动上下游企业协同攻关，重点突破真空器件、涉氚部件等配套产品瓶颈，完善产业配套体系。四是加强人才培育与交流，推动高校、科研机构与企业共建人才培养基地，提升从业人员专业素养。

（三）企业层面聚焦工程落地

企业作为工程化、商业化主体，需要立足自身优势，精准布局。一是科研型企业聚焦核心技术攻关。重点突破高温超导磁体、AI等离子体控制等关键技术，提升技术自主可控水平。二是工程型企业加快示范堆建设。积累工程实践经验，优化施工工艺，降低建设成本。三是配套企业聚焦细分领域。提升真空器件、抗辐照材料等产品性能，满足工程化需求。四是发电企业前瞻布局。提前开展聚变发电商业化场景研究，探索“聚变+传统能源”协同和“聚变+多元场景”融合模式，抢占商业化先机。

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