“人造太阳”，何时成真？

可控核聚变，被誉为“终极能源”，其原料几乎取之不尽，且没有污染——核聚变生成物为氦，不会产生高放射性核废料。从自主建造全球首台全超导托卡马克核聚变实验装置EAST到深度参与国际热核聚变实验堆ITER，从夸父大科学工程CRAFT到紧凑型核聚变装置BEST，以及预研中的CFEDR，中国核聚变研究正从追赶者跃升为领域核心力量。

EAST局部。中国科学院等离子体物理研究所供图

核聚变能，人类追求的“终极能源”

核聚变的原理是模拟太阳发光发热，利用氢的同位素氘和氚的核聚变反应，持续稳定地释放出巨大能量。可控核聚变实验装置往往被称为“人造太阳”。温度和密度以及约束时间三者乘积，即“聚变三乘积”，是实现核聚变点火的关键指标。迄今为止，磁约束聚变和惯性约束聚变是实现可控核聚变的两种关键技术路径，其中磁约束托卡马克装置最为主流。

20世纪五六十年代，各国科学家积极研究并探索多种可控核聚变技术方案，其中，托卡马克技术以其出色的性能最受青睐。1958年，世界上第一台托卡马克装置T-1在苏联成功建成并开始运行。我国核聚变研究开始迅速起步。20世纪60年代，我国抽调多家单位人员在四川乐山组建585所（中国核能集团西南物理研究院的前身），从事受控核聚变研究。此后，585所陆续研制“环流”（HL）系列常规导体托卡马克装置。

20世纪60年代中期，苏联科学家依托第三个托卡马克装置T-3成功实现1000万度等离子体放电，这项突破性进展引发国际核聚变界的高度关注。时任中国科学院物理研究所研究员的陈春先，以敏锐的洞察力率先关注到该技术突破。1972年，陈春先主持研制的CT-6装置正式竣工，标志着我国首台托卡马克装置的问世。1978年9月，中国科学院等离子体物理研究所在合肥成立，在攻克多项技术难关后，相继研制出HT-6B等小型实验装置，并于1984年底建成我国首个空芯变压器托卡马克装置HT-6M。

20世纪80年代初，苏联研制的全球首个超导托卡马克装置T-7正式投入运行，这一装置开创性地通过超导技术，构建强磁场约束高温等离子体的新路径，首次验证了超导磁体技术应用在磁约束聚变装置上的可行性，为以后超导磁约束装置的发展奠定了第一块基石。彼时，我国科研机构中，等离子体所与585所均致力于常规托卡马克装置研究。

20世纪90年代，等离子体所接收了苏联T-7装置的核心组件，并在霍裕平、万元熙、翁佩德、邱励俭等科学家的努力下，基于我国科研实际需求对其实施系统性技术改造，包括设计建造新的真空室、将T-7的48饼纵场线圈改造成24饼线圈等，大幅度提升了HT-7装置的性能。2002年，HT-7装置首次获得了上千万度分钟级长脉冲等离子体运行的物理成果。在接下来的几年里，HT-7不断延长放电脉冲，最长脉宽达400秒，刷新了当时托卡马克稳态运行时长的世界纪录。

20世纪90年代，等离子体物理所主持建设了全球首个全超导托卡马克装置HT-7U（后更名为EAST）。

自2006年投入运行以来，EAST研发团队聚焦托卡马克稳态高性能等离子体前沿研究领域，系统攻克了等离子体芯部与边界物理集成、高功率加热系统注入耦合、第一壁材料排热、精密控制系统构建等重大科学难题与工程技术瓶颈。截至目前，累计完成等离子体运行实验次数逾15万次，持续优化装置运行参数，实现长脉冲高约束模等离子体运行性能的阶跃式提升，先后突破60秒、100秒、400秒等关键时间阈值。2025年1月20日，装置成功实现亿度高约束模等离子体1066秒稳态运行，刷新托卡马克装置运行时长世界纪录。

凭借前沿科研成果与技术创新体系，EAST获得国际科学界高度评价。依托建制化开放管理模式，该平台现已面向全球50余个国家开展包括联合实验、技术攻关及人才培育在内的全方位国际合作。如今，EAST作为中国自主研制的“人造太阳”，已成为全球性开放共享科研平台。

我国积极参与国际核聚变研究，话语权逐渐提升

在中国核聚变研究一步一个脚印前行时，国际核聚变研究也在推进。20世纪80年代，已建成运行的美国TFTR、欧洲联合环（JET）、日本JT-60等大型托卡马克装置的物理参数相比之前的中小型装置有大幅提升，但还是不能达到聚变点火的要求。

在此背景下，实现聚变点火的科研重心转向依托下一代装置。1985年，基于美苏两国共同倡议，欧共体（现称“欧盟”）、日本等四方联合发起国际热核聚变实验堆（ITER）计划。ITER同样采用全超导托卡马克技术路线，旨在通过多国协同攻关，建设具备实现大规模聚变反应能力的实验堆，系统验证人类和平利用核聚变能的科学原理与工程可行性。

中国于2006年正式加入ITER。等离子体所不仅承担了ITER计划分配给中国的近75%的研发任务，更通过自主创新突破多项技术瓶颈。而EAST已成为ITER计划最重要的实验验证平台和典型“卫星工程”。

2017年，ITER主机安装工程启动国际竞标时，等离子体所联合中国核电工程有限公司、核工业西南物理研究院及法马通核电服务有限公司等组建中方联合体，攻克了ITER托卡马克主机超导磁体系统、磁体馈线系统总装技术和多项关键部件的研制装配难题，按时按质按量交付采购包任务。2019年，中方联合体正式与ITER组织签署TAC-1安装合同，这是ITER托卡马克装置核心设备的安装工程。这些突出表现，显著提升了我国在聚变领域的国际话语权，中国团队承接的工程任务范围也不断扩展。

ITER项目虽然原定于2025年完成，但最新进度规划显示，ITER的首次等离子体放电时间一拖再拖，目前已调整至2034年。

BEST，有望点亮人类核聚变的“第一盏灯”

2016年，基于深度参与ITER累积的大科学工程经验，中国提出重要战略构想：建设新一代聚变工程实验装置——中国聚变工程实验堆（CFETR），其工程规模与核心参数指标方面甚至高于ITER。

这只是第一步。中国核聚变研究致力于实现聚变能开发“三步走”战略——从实验堆到示范堆直至商业堆的递进式突破，目标是在2050年实现核聚变能商业化。目前，随着项目定位升级，CFETR已正式更名为CFEDR——中国聚变工程示范堆。从字母T到D的变化，意味着其定位已从实验堆转为聚变示范堆建设。

项目启动时，国际上的测试平台在大型部件检测与高参数实验方面已显现局限性,为配套CFEDR的实施，我国同步启动夸父大科学工程（CRAFT）。作为全球综合性的聚变科研平台，CRAFT主要承担两项核心使命：其一是为未来聚变堆研制主机系统组件，其二是通过技术攻关全面掌握下一代聚变堆关键技术体系，培养专业技术人才队伍，最终实现聚变装置全系统国产化目标。

按规划，CRAFT项目将于2025年全面建成，届时将具备全球高参数、功能完备综合性研发测试一体化平台的能力，为我国聚变示范堆工程提供关键技术和装备支撑。

由于未来反应堆的建设规模较大，基于现实条件，中国科研团队审慎研判，提出建设紧凑型聚变能实验装置（BEST）的战略规划，作为EAST装置的技术迭代与ITER计划的重要衔接。科研团队充分运用人工智能与先进材料技术，让BEST较EAST更为先进，性能也进一步提升。BEST已于2025年5月1日启动工程总装，我国核聚变研究由此从基础科学研究迈向工程验证阶段。

现在CFEDR已全面开展预先研究和设计，有望在不久的将来立项。在验证工程上的所有技术可行性后，我国将开始建设CFEDR这座真正能产生电能的示范堆发电站。

从EAST的科学验证到BEST演示发电，从深度参与ITER建设到CRAFT平台建设，再到未来推动CFEDR工程示范堆立项，我国正在为“人造太阳”的早日应用持续接力。同时，在大科学装置的设计、建造和运行过程中，带动了所需的超导材料、低温系统、大功率电源等系统的研发和高端装备制造的技术革新，实现了从聚变原材料到产品的自主供应，彻底摆脱外部依赖。

核聚变研究并非坦途，期待国内外学术界能凝心聚力，一同突破聚变能源革命的技术瓶颈，加速推进商业化进程，以期早日实现“终极能源”的探索目标，让“人造太阳”照亮人类的未来之路。

你问我答

问：核聚变会产生很高温度，这个温度是如何测量出来的？

张志会：核聚变产生的温度可达到数百万甚至上亿摄氏度，远超常规温度计的测量范围。科学家通过以下间接方法测量：一种是光谱分析。高温等离子体会发射特定波长的光（如X射线或可见光），通过分析这些光谱的强度、频移（多普勒效应）或展宽（斯塔克效应），可以推算等离子体的温度和密度。第二种是汤姆逊散射。用激光束照射等离子体，散射光的频率变化与电子温度直接相关，这是最精确的测量方法之一。第三种是中性粒子分析。测量从等离子体逃逸的中性粒子的能量分布，反推离子温度。

问：这么高的温度能让绝大多数材料融化，可控核聚变实验是怎么在实验室里完成的？

蔡其敏：在核聚变实验里，为实现可控性，需运用特定技术对高温等离子体进行约束，防止其直接触碰容器材料。磁约束（如托卡马克）中，借助超导磁体生成的强大磁场，令带电粒子沿着磁力线做螺旋运动，悬浮于真空腔内，从而不与器壁相接触。惯性约束（如激光聚变）时，采用高能激光或离子束瞬时压缩靶丸，让聚变在极短时间（纳秒级）内完成，使材料来不及熔化。第一壁材料是聚变装置内高温等离子体与反应堆结构之间的首道物理屏障，既要阻止等离子体接触真空室壁材料，又要承受等离子体辐射带来的极端热负荷，以及聚变产物高能中子和带电粒子的轰击，防止材料受损。第一壁后方设有冷却管道（如氦气或者水循环），以迅速导出热量。