核聚变有望成为终极能源，工程化落地提速。
核聚变是两个轻原子核（比如氘氚）在高温高压条件下克服库伦斥力结合成较重原子（氦）， 并释放大量能量的过程。质量小的原子，在超高温高压条件下，能让核外电子摆脱原子核 束缚，两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量 更重的原子核。中子质量比较大且不带电，因此也能够在这个碰撞过程中逃离原子核的束 缚而释放出来，大量电子和中子的释放所表现出来的就是巨大的能量释放。
核聚变兼具能量密度高、反应物充足、安全性高、环保等优势，有望成为人类文明终极能 源：能量密度高：根据《核裂变与核聚变发电综述》，核聚变能量释放效率比传统化学能 源燃烧效率高百万倍，氘和氚聚变为 1 克氦过程中所产生的聚变能相当于 11.2 吨标 准煤。 燃料供应充足：氢的同位素包括氘、氚，其中氘以重水形式在海洋中储存，储量充沛； 氚半衰期短、在自然界没有稳定存在，但可用中子轰击锂-6 制备。 零排放：核聚变在反应过程中，不产生温室气体、高放射/长寿命核废物，反应过程 相对清洁。 安全性高：核聚变反应属于自限过程，维持核聚变反应需要超过 1 亿度高温、燃料的 连续输入等严苛的边界条件，一旦条件不满足就会自发停止。 氘氚聚变凭借反应截面大、点火温度较低和能量输出效率高等优势，是目前广泛采用的反 应方式。目前常见的聚变反应包括：D-T（氘氚聚变：主流），D-D（氘氘聚变），p11B（质 子-硼 11 聚变），D3He（氘-氦 3 聚变），3He3He (氦 3-氦 3 聚变)。其中氘氚聚变（DT聚变）兼具反应截面大、能量输出效率高、材料供给充沛等优势，是聚变反应中的主流燃 料来源。一方面，氘氚聚变具有最大的反应截面，所需的加压、加温等外部条件要求低， 能够在相对较低的1.5亿摄氏度下即可发生反应；另一方面，氘氚聚变单次反应可释放17.6 MeV 的能量，能量输出强劲。
聚变三乘积（nTτ）指的是离子体温度（T），原子核密度（n），能量约束时间（τ）三 者的乘积，即劳森判据中的“三重积”，是衡量核聚变反应可否自持进行的核心指标。根 据劳森判据，要实现核聚变反应，离子体温度、原子核密度、能量约束时间乘积需大于一 定值，即大于 5x102m- 3·s·keV。极高温可使原子核获得足够能量以克服其库仑势垒； 原子核密度越大则其碰撞效率也越高，从而提升核聚变反应率；能量约束时间对应等离子 体总能量热传导损失耗时，时间越大代表反应装置隔热效果好、能量损失少，促进反应率 提升。只有当三重积数值足够高时，核聚变反应方能实现能量产生效率大于损失效率，不 需要外部能源持续输入即可自发维持反应。
能量增益因子 Q 是指核聚变反应输出能量与输入能量之比。当 Q 值>1 时，就意味着可控核聚 变产生的能量大于消耗的能量，获得了净聚变能，对核聚变可行性实现了印证。但在实际工程 应用中，核聚变反应需要在满足产生能量远大于输入能量并稳定、持续输出，考虑到反应过程 中的能量损耗，Q>1 是远远不够的，一般而言认为 Q＞30，才会被认定为具备商业化发电的 潜力。
磁约束、惯性约束等主要技术路线均在实验过程中实现 Q＞1，取得里程碑式进展。2022 年 12 月劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）进行的实验实现了 “点火”， 首次成功在惯性约束核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发 该反应的镭射能量。实验向目标输入了 2.05 兆焦耳的能量，产生了 3.15 兆焦耳的聚变能 量输出，能量增益 Q 达到 1.53，对理论模型可靠性实现验证，但若考虑到激光器电能到 激光之间的能量损耗（不足 1%），则系统总 Q 值仍小于 1。日本 JT-60U 是 1985 年启动 的大型托卡马克核聚变实验装置，采用磁约束技术路线，在 JT-60 基础上进一步改进，于 1996 年实现 1.25 的能力增益 Q。
核聚变产业发展可分为科学理论、科学可行性、工程可行性、商业可行性和商业堆等五个 阶段，历经多年发展，当前正朝着向工程可行性乃至商业可行性发展。从 1934 年氘氚聚 变反应被实现以来，苏联、英国、美国等多国都设立了聚变物理实验室，开始了对核聚变 实验研究。1968 年，苏联利用托卡马克装置完成了重大突破，实现等离子体电子温度大 于 1 keV，电流脉冲宽度大约为 50 毫秒，能量约束时间达到 7 毫秒，10 倍于当时受困 于 Bohm 扩散极限的其他类型聚变实验装置，这在当时是历史性的突破。到 20 世纪 90 年代，欧盟的 JET，美国的 TFTR 和日本的 JT60 这三大托卡马克装置在磁约束核聚变研 究中获得了许多重要成果，验证了基于氘氚聚变的磁约束聚变作为聚变反应堆的科学可行 性。根据李建刚院士在中国聚变工程实验堆集成工程设计研究项目启动会上的介绍，我国 聚变工程发展路径分“实验堆-示范堆-商用堆”三步走，目前处于实验堆阶段。实验堆是可控核 聚变实现商业化的第一步，主要目的是验证聚变能源的科学原理和基础技术。第二阶段，到 2035 年建成中国聚变工程试验堆，调试运行并进行物理实验。第三阶段，到 2050 年开始建设 商业聚变示范电站。
多国通力合作，国际核聚变标杆项目 ITER 历经概念设计、工程设计等多阶段，引领热核聚变 发展方向。在国际原子能机构 IAEA 的组织下，由美国、苏联、欧洲和日本组成的四方经讨论 确定了合作机制，1988—1991 年开展了 ITER 概念设计，1992—1998 年完成了工程设计及关 键技术预研，1999—2001 年完成了修改完善设计聚变能先进托卡马克（ITER−FEAT）。ITER 的设计体现了当前世界最先进的托卡马克技术，拥有多项世界之最。ITER 作为世界最大的热 核聚变实验堆合作项目之一，其主要的科学目标是，第一阶段通过感应驱动获得聚变功率大于 500MW、Q 值大于 10，脉冲时间 500s 的燃烧等离子体；第二阶段，通过非感应驱动等离子 体电流，产生聚变功率大于 350MW、Q 值大于 5、燃烧时间 3000s 的等离子体，研究燃烧等 离子体的稳态运行；第三阶段，实现 Q 值介于 3-5 之间的稳态运行。
全球各国及产业巨头加码可控核聚变研发推进，示范核电厂（DEMO）提上日程，产业对 行业发展前景乐观，商业化供电有望于 10 年内实现。中国 CFETR、欧盟 EU-DEMO、韩 国 K-DEMO、日本 JADEMO 计划于 2035 年至 2040 年开始建设，并于 2050 年开始运营。 多国政府高度重视核聚变产业布局，美国能源部在 2024 年 6 月提出其核聚变战略，日本 近 2 年将原型电站建设计划提前 20 年左右，英国政府 2025 年宣布追加 25 亿英镑资助 STEP 原型电厂建设，欧盟预计 2025 年底发布首个聚变能源战略。此外，海外科技巨头 也纷纷加码聚变产业投资，谷歌、雪佛龙科技巨头等通过投资 TAE Technologies、CFS 等核聚变创业公司加码核聚变行业。根据《The global fusion industry in 2025》，在受访 公司中，预计 2031-2035 年实现商业化供电的公司最多。
AI 技术有助于为核聚变相关工作人员提供重要助力，在挖掘等离子体运动规律、预测反 应进展及结果、优化反应条件等方面提供有力支撑，加快核聚变商业化进程。人工智能（尤 其是强化学习）在托卡马克中等离子体的控制约束过程中可发挥重要作用。比如，过去高 度依赖人工经验介入的等离子体数据分析耗时耗力，引入 AI 后从“至少数小时建模”变 成“毫秒级求解”，还能开展实时趋势预测，为未来聚变堆的设计、优化提供了关键理论 支撑；借助 AI 模型实现提前 300 毫秒预测，能有效避免因等离子体不稳定导致的核聚变 反应中断。2022 年，谷歌旗下 DeepMind 与瑞士洛桑联邦理工学院瑞士等离子体中心联 合，开发了一个人工智能深度强化学习系统，并成功实现对托卡马克内部核聚变等离子体 的控制。
尽管如美国 NIF 实验装置已实现净能量增益＞1，但若要实现长时、稳定可控、能量增益 因子 Q＞1 的反应自发运行，当前仍受制于能量平衡、材料性能、氚自持等因素，尚面临 较大挑战。主流核聚变技术路径尚未完全实现闭环验证，且经济性的实现尚需验证。 核聚变反应环境极端，核心零部件需面对等离子体辐照、高能中子辐照等影响，材料要求严苛。 等离子体材料，包括第一壁、偏滤器及限制器的装甲材料等，在服役期间需要直接面对超高热 流、低能高束流的氢氦等离子体辐照、高能中子辐照等极端环境，此外还同时受到核聚变反应 产生的氦、氢及其同位素等气体原子的影响，易受损伤、脆化。
氚自持是决定核聚变持续运行的关键一环，目前仍处于研发、实验验证阶段。在氚自持过 程中，氚增殖比（TBR）是核心衡量指标，其定义为包层中产生的氚原子数量与聚变反应 消耗氚原子数量之比，以 1 为分界线，若 TBR＞1，则意味着理论上可实现氚的自持循环， 从而实现核聚变反应持续运行。由于氚在提取、回收过程中有损失，且考虑到会有部分氚 滞留、泄露，因此工程上往往要求设计 TBR＞1.05 以确保一定冗余度。当前氚增殖包层 仍存在化学物质腐蚀、放射性、氚滞留和渗透损失等问题，处于研发、实验验证阶段。
