可控核聚变，欧博又称“人造太阳”，是一种通过模拟太阳内部的核聚变反应来获取能量的技术。它是在超高 温（上亿摄氏度）、超高压条件下，使两个较轻的原子核（如氢的同位素氘和氚）克服库仑力发生碰撞并聚合， 生成一个新的质量较重的原子核（如氦）和一个极轻的粒子（如中子）的反应过程。因为整个反应过程前后涉 及质量损耗，根据爱因斯坦的质能方程，该过程将伴随着巨大的能量释放（3H+2H→4He+10n+17.6 MeV），能 量以动能形式存在，质量越小的粒子获取越大能量，其中 14.1 MeV 给了极轻的粒子（如中子），3.5 MeV 给了 新生产的质量较重的原子（如氦原子）。

1.2.2 可控核聚变能源利用优势

可控核聚变旨在从根本上彻底解决人类面临的能源和环境双重危机，其在发电侧与其他能源利用形式相比 拥有诸多优势，主要体现在： 更高的能量利用效率：以现有最主流技术路线氘氚聚变为例，每 6 个氘核共放出 43.24 MeV 能量，相当于 每个核子平均放出 3.6 MeV，大约为裂变反应中每个核子平均释放 0.85 MeV 能量的 4 倍。因此聚变能是比裂变 能更为巨大的一种核能利用方式。 更安全环保的能源利用形式：可控核聚变反应无核废料，不会对环境构成大的污染危害，并且聚变反应条 件极为苛刻，一旦达不到反应要求会自动停止，不会发生类似核裂变电站的失控或泄漏事故。 更充足的燃料供应：现在主流聚变能利用的燃料多为氢的同位素氘和氚，氘在海水中大量存在，每 1 升海 水中约含 30 毫克氘，而 30 毫克氘聚变产生的能量相当于 300 升汽油。按照当前消耗测算，海水中氘的聚变能 可用几百亿年。氚元素可由锂-6 和锂-7 两种同位素制造，锂-6 吸收热中子后变成氚并放出能量，锂-7 吸收快中 子变成氚。地球上锂的储量虽少，但用它来制造氚，预计可足够用到人类技术进步到使用氘-氘聚变。再者氚元 素虽在地球稀缺，但放眼宇宙氚并非稀缺元素，月球上氚储量丰富，随着商业航天技术的进步，从月球上开采 氚资源并加以利用或许并不遥远。因此，总的来讲，核聚变能是一种取之不尽用之不竭的新能源。 更为稳定的基荷电力：与现有主流新能源形式风能、太阳能等间歇性能源不同，核聚变可提供 7x24 小时不 间断的稳定电力输出，是未来支持 AI 算力中心、大规模工业生产的理想基荷电源。

1.3 可控核聚变：实现难点与约束方式

1.3.1 实现可控核聚变的关键指标

核聚变能源相较其他能源形式优势明显，但如何充分有效的利用聚变能源尚需解决一些技术难题，主要集 中在如何促使聚变反应集中大量发生以及聚变反应发生后如何有效对反应物质等离子体团进行约束。能够被人 类捕捉并有效利用的核聚变反应发生条件极为苛刻，经过科学研究需要在超高的温度和足够大的等离子体密度 条件下，核聚变反应才能大量发生，因此将反应物加热到上亿摄氏度，同时增加粒子碰撞几率是可控核聚变首 要解决的问题。其次，核聚变反应在上亿摄氏度的极高温度下进行后，能够将参与反应的物质控制在一定范围 内，并延长反应时间，以及将反应产生的巨大能量合理、高效的导出并加以利用等，这些都对现有材料体系和 科学设计提出了很高的挑战。 经过长期的科学研究，1957 年英国物理学家约翰·劳森提出核聚变反应堆能量平衡条件，即劳森判据，要求 影响聚变反应的三个重要条件等离子体密度 ne、反应约束时间τe 、聚变温度 ?i 的三重积达到临界阈值，各材 料体系中最容易实现聚变反应的氘-氚，其 ne *?I*τe≥ 3 x 1021 KeV·s/?3 时，聚变反应产生的能量将超过加 热输入能量，欧博娱乐实现自持燃烧。劳森判据建立的基础是能量守恒定律，聚变产生功率需补偿等离子体辐射损失和 系统热传导损耗，判据包含温度、密度和约束时间三个核心参数，其中等离子体需维持 1 亿摄氏度以上高温使 聚变燃料充分电离。三项核心参数意义如下：

等离子体密度 ne ：聚变反应需要大量粒子发生碰撞，这就需要等离子体中粒子数量足够多、粒子密度足 够大，才能确保较高的碰撞概率，从而提高聚变反应的发生的几率和速率。 聚变温度 ?i ：聚变反应发生需要原子核以极高速度运行并克服库仑斥力发生碰撞，因此必须将参与核聚 变反应的燃料加热至极高的温度。 反应约束时间 τe ：高温、高密度状态必须维持足够长的时间，才能使得聚变产生的能量超过启动反应所 投入的能量并维持反应持续进行（Q＞1），因此反应装置设计上需要利用外部构建对等离子体进行有效地约束。 劳森判据所提出的三重乘积是核聚变反应达到“点火”状态的关键指标，即聚变反应能够自维持而不需要 外部能量输入。这一状态需要等离子体内部的聚变反应生成足够多的热量，来维持所需的高温，使得聚变反应 能持续进行。

劳森判据通过设定最小三重乘积要求，为实现有效的核聚变提供了基本的科学准则，为聚变原材料选择、 约束方案选择和装置设计等提供了理论支撑和指引，根据推定只要三重乘积超过了劳森判据所设定的特定值， 核聚变反应就可能自行维持，实现能量的净输出。因此，在核聚变研究领域，不断优化和提升三重乘积的值是 一个关键的研究目标，科学家应用多种方式对三个关键变量离子体密度 ne、反应约束时间τe 、聚变温度 ?i 进 行持续改进迭代，涉及等离子体的约束技术、提高等离子体的温度和密度，以及开发新型核聚变反应材料和实 现方式等，从而进一步提高聚变三重乘积不仅有助于提高聚变反应的效率，也是向实用化核聚变能源系统迈进 的重要步骤。

1.3.2 实现可控核聚变的约束方式

劳森判据不仅明确指出了实现可控核聚变反应需要着力提高的三个要素，而且也为聚变材料体系选择和聚 变约束方式选择提供了参考。核聚变材料的选择方面，由于氘-氚（D-T）聚变反应截面最大，在温度 10~50 keV 之间(对应 1 亿到 5 亿度)，三乘积要求在 1021 量级，因此最容易实现。核聚变约束方式选择方面，不同材料对 应最佳截面温度不同，因此材料体系确认后，提高等离子体的约束时间和密度就成为提升聚变三乘积的关键， 与之最相关的就是聚变约束装置的设计和选择，不同约束形式也代表着提高三乘积的不同解决方案。

实现核聚变反应需要的温度要求非常高，通常在上亿摄氏度级别，在超高温下参与反应的气体分子会被完 全电离，以高温等离子体状态存在，如何对等离子体进行约束，提高反应约束时间τe ，以及如何对等离子体 进行有效压缩提高等离子体密度 ne ，就成为科学界必须解决的问题。当前，对于此类高温等离子体的约束方式 通常有四种，即引力约束、惯性约束和磁约束，以及结合惯性约束和磁约束特点的磁惯性约束。

（1）引力约束：最典型的引力约束核聚变是宇宙中恒星（类似太阳）的发光发热，恒星由于其质量巨大， 中心点通常为高温高压环境，在此情形下氢原子容易发生核聚变反应生成氦原子核，并放出大量能量。几十亿 年来，宇宙中的恒星犹如一个个巨大的核聚变反应装置，无休止地向外辐射着能量，但由于恒星自身质量极大， 能够产生很强的引力场，从而将高温等离子体约束。引力约束核聚变作为太阳等恒星的能量来源，是一种天然 存在的热核聚变反应堆，然而由于人类无法在满足足够小体积的条件下制造出如此大质量的物体，因此目前引 力约束核聚变还只是大自然的现象，以现有科学技术方法尚无法在地面上制造出可以实现引力约束核聚变的反 应堆。

（2）惯性约束：惯性约束是另一种核聚变常用的约束方式，它通过高能激光或粒子束将燃料靶丸加热并压 缩，瞬间产生的高温高压使燃料因惯性来不及扩散就发生聚变反应，产生类似氢弹爆炸的可控化模拟过程。由 于这种核聚变的方式是通过等离子体自身的惯性作用约束而实现的，因此被称为惯性约束核聚变。这种约束方 式约束的时间长度较短，形成的等离子体具有较高的温度和密度等特征参数，需要大量的能量输入和精密的控 制技术。目前惯性约束的研究和应用主要集中于国防军事领域，美国国家点火装置(NIF)和中国工程物理研究院 的神光系列研究装置都是具有代表性的惯性约束核聚变研究装置。

（3）磁约束：磁约束被认为是目前最有希望实现大规模受控核聚变反应的一种约束方式。通过加热等外部 方式将燃料温度提升，极高的温度使得燃料被完全电离形成等离子体，利用带电粒子在磁场中趋向于沿着磁力 线运动等特性，在外部构建强磁场组成的“磁笼”来约束高温等离子体，使之受到控制地发生核聚变反应，并 在此过程中释放出大量能量。反应过程中，增强磁场可以大幅度地减少带电粒子横越磁力线，使处于磁场中的 高温等离子体与反应容器的壁面隔开，从而保护壁面不受高温侵袭。该方向是当前最有前景的实现大规模受控 核聚变反应的方法，目前科学界提出的主流磁约束装置形式包括托卡马克、仿星器等，如国际热核聚变实验反 应堆(ITER)，中科院等离子所的 EAST、BEST 装置等。

（4）磁惯性约束：融合惯性约束与磁约束两者技术特点，先通过磁场约束等离子体，再利用机械压缩或激 光加热进一步提升密度和温度，降低实现聚变反应的门槛。

高温等离子体约束方式各有特点，因而衍生出可控核聚变多种技术解决方案，目前主流方向逐渐清晰，技 术演进趋势日益明确，磁约束和惯性约束逐步成为最主流的技术路径。磁约束技术路径中最有代表性的解决方 案为托卡马克装置，现已成为研究最深入、技术最成熟的可控核聚变解决方案。托卡马克是一种借助磁约束技 术实现可控核聚变的环形装置，英文名称 “Tokamak”源自环形结构（Toroidal）、真空腔室（Kamera）、磁场 （Magnitnye）以及线圈（Katushki）的俄语首字母缩写。托卡马克装置的核心结构为环形真空室，其外部环绕 着极向场线圈、环向场线圈，当线圈通电时，装置内部会生成强螺旋形磁场控制、维持等离子体发生核聚变反 应。惯性约束技术路径一般采用激光作为聚变解决方案，最具代表性的项目为美国国家点火装置（NIF），它也 是世界上最大的激光聚变装置，通过聚焦激光束到微型燃料球上，能够产生高温高压的环境，实现核聚变反应。 NIF 的主要组成部分是 192 个激光束线，每条激光束线都可产生高达 500 兆焦耳（MJ）的脉冲能量。当这些激 光束线同时聚焦在一个小球上时，可以形成数十亿度的高温和高压条件。经过多年研究，各国聚变装置的三重 积参数进步迅速，其中美国激光聚变 NIF 已实现参数最高，国际合作的托卡马克装置 ITER 设计参数规划最高。

1.4 可控核聚变：技术突破引领产业快速迭代

除了传统技术路线的突破，近年来新兴技术特别是高温超导和人工智能（AI）等在核聚变项目中的广泛应 用为行业快速迭代注入新的动力。高温超导磁体技术的进步，使得核聚变装置能够产生更强的磁场，在有效约 束等离子体的同时可极大缩小了装置尺寸，使装置建造成本大幅降低。人工智能技术的进步也有效推动了聚变 行业的发展，AI 可用于优化等离子体控制算法，实现对复杂物理过程的精准调控，提高聚变反应堆的稳定性与 反应效率。

1.4.1 高温超导技术极大降低聚变装置成本

高温超导技术的成熟极大降低了核聚变装置的建造成本，加速了核聚变商业化进程。按照传统的材料体系 和物理学原理，可控核聚变装置（托卡马克）要获得净能量增益，装置体积必须建造的非常巨大（如 ITER 项 目）。在托卡马克中，聚变功率 Pfusion 与磁场强度 B 遵循四次方定律，如果磁场强度翻倍，在体积不变的情况 下，聚变功率将增加 16 倍，或者为获得同样功率，如果磁场强度翻倍，聚变装置体积可以缩小到原来的 1/16。 在高温超导出现之前，托卡马克装置普遍采用低温超导材料（如铌三锡），但其必须工作在液氦温度（4K，-269° C），一来运行成本过高，二来当磁场强度超过 12-13 特斯拉时，超导态容易失效。如果磁场强度不能有效提高， 为了获得足够的功率，只能增加装置体积，所以导致原有低温超导托卡马克装置通常需要较长的建设周期和巨 量的资金投入，只有少数国家或国际组织联合起来才能得以实施。 1986 年，诺贝尔奖得主贝德诺尔茨和米勒发现了铜氧化物高温超导体，经过了三十余年科学攻关，第二代 高温超导材料稀土钡铜氧化物（REBCO）终于实现了带材量产，其可以在液氮温区（77K）甚至更高温度下保 持超导，这不仅意味着冷却系统大幅简化，而且可以实现更高的磁场强度。高温超导材料的出现使得在同样功 率下，托卡马克装置的体积可以做的足够小，进而降低建造和迭代成本。2021 年 9 月 5 日，美国 CFS 公司 （Commonwealth Fusion Systems）利用高温超导技术实现 20 特斯拉的强磁场，并宣布开启 SPARC 建造计划， 旨在建造体积只有 ITER 的 1/40，但同样能够实现 Q>1 的紧凑型托卡马克装置。如果成功，它将把聚变电站的 造价从“百亿级”拉低到“亿级”，建设周期从“三十年”压缩到“五年”，这一计划也得到风险投资基金的 大力支持。

1.4.2 人工智能技术大幅缩短聚变研发周期

人工智能技术有效推动了核聚变研究，使得精确控制高温等离子体运动成为可能。在核聚变反应过程中， 等离子体的运动是非线性的，充满了不可预测的湍流，传统的控制系统是基于 PID 反馈的，往往反应太慢。人 工智能技术可用于优化等离子体控制算法，实现对复杂物理过程的精准调控，提高聚变反应堆的稳定性与反应 效率。2022 年，DeepMind 团队与瑞士等离子体中心合作训练了一个深度强化学习算法，不仅有效控制住了等 离子体，甚至可以把两个等离子体环在真空室里分开移动。新奥集团在玄龙-50U 上利用 AI 技术对等离子位形 进行控制，并开发了数字孪生系统，仿真速度相较于传统方法提高了 4 个量级。凭借高效处理海量实验数据、 精准模拟复杂核聚变反应过程的能力，人工智能大幅缩短研发周期、降低成本，已然成为核聚变商业化的“加 速器”。

二、可控核聚变现状：政策与资本双轮驱动加速产业爆发