核聚變仍面臨著科學與工程技術的多重難題，預計到2040年后才將進入商業化驗證的窗口期

文｜《財經》研究員 馬銘澤

編輯｜黃凱茜

可控核聚變正處于從基礎研究邁向工程化應用的階段。目前中國正在瞄準百兆瓦級別的核聚變實驗設施推進建設，預計在2030年實現發電。4月17日，中國科學院等離子體所研究員李建剛在2026核能可持續發展論壇上介紹。

這個項目位于安徽合肥，為中國科學院等離子體所牽頭的聚變能實驗裝置（BEST），目標聚變功率達到20兆瓦-200兆瓦，演示聚變能發電。李建剛介紹，合肥項目將圍繞著2027年建成實驗設施（BEST）、2035年建成示范設施（CFEDR）、2040年開始商業化進程的整體目標推進。

經過數十年的技術積累與裝置運行驗證，可控核聚變研究被分為原理探索、規模試驗、燃燒實驗、實驗堆、示范堆、商用堆六個階段，目前中國聚變技術處于燃燒實驗階段。

中國聚變能源有限公司總工程師鐘武律在同一個論壇上表示，未來將通過實驗堆、示范堆、商用堆的三階段發展路徑，分批攻克關鍵技術，不斷提升核心參數，逐步釋放技術風險，最終實現技術成熟、運行可靠、具備規模化部署能力的聚變產業體系；而在第一步實驗堆階段，需要全面驗證聚變的工程可行性，還有大量關鍵技術需要突破。

作為典型“大科學工程”，核聚變需要長期持續且大規模的技術、資金投入和產業體系建設。在“十五五”規劃中，氫能與核聚變能、量子科技、具身智能等六個產業共同被列入未來產業重點方向；提出強化可控核聚變的技術攻關，突破氚燃料制備循環、材料輻照考驗、高性能激光、超導磁體制造等核聚變關鍵技術，開展聚變氘氚燃燒等離子體運行實驗和多技術路徑可行性驗證，推進核聚變研發工程化進程。

兩支核聚變“國家隊”

聚變的基本原理是氫的同位素（氘和氚）在極高溫度和壓力下發生原子融合，釋放出巨大能量，反應過程與太陽的能量來源相同，因此被稱為“人造太陽”。

當前主流的可控核聚變反應，第一步是將氘氚氣體電離，使其變成等離子體，然后再由外部加熱系統將等離子體加熱到上億攝氏度，這時兩個帶正電的原子核將發生融合反應。由于溫度極高，需要通過強磁場將等離子體懸浮在裝置內部，避免接觸容器壁。反應過程中產生的α粒子在磁場約束中維持等離子體的高溫，從而讓融合反應持續，實現“自持燃燒”，而另一個產物中子將實現燃料增殖和能量釋放。

中國聚變產業當前最受關注的，是由兩支“國家隊”推進的兩個重點裝置，均基于磁約束托卡馬克（Tokamak）技術路線：一是由中國科學院牽頭組建的中國聚變新能公司（下稱“聚變新能”），圍繞“東方超環”（EAST）裝置，重點驗證聚變所需的穩態運行能力。另一個是中核集團下屬的中國聚變能源有限公司（下稱“中國聚變”），依托核工業西南物理研究院的新一代人造太陽“中國環流三號”開展堆芯級等離子體物理實驗研究，加速推動中國的聚變研究進入燃燒實驗新階段。

聚變新能公司成立于2023年，是在中科院等離子體物理研究所的技術積累基礎上成立的產業化平臺，引入安徽省國資（合計持股75%）、中國石油旗下產業資本運營平臺昆侖資本（持股20%）以及社會資本共同參與，注冊資金145億元。

在磁約束聚變反應中，等離子體性能關鍵在于密度、溫度和能量約束時間三者乘積（聚變三乘積），通常認為實現聚變燃燒需要達到10的21次方量級。在其他條件不變的情況下，密度越高，聚變頻率就越高。然而攻克等離子體密度一直是國際難題。

2025年，“東方超環”實現了千秒級（約1066秒）等離子體穩定運行，標志著其在長脈沖、高參數運行能力上達到國際領先水平。2026年1月，該裝置在實驗中突破長期制約托卡馬克裝置的密度極限，實現了高密度條件下的穩定等離子體運行，大幅提高聚變的能量增益。在“東方超環”的基礎上，預計在2027年建成下一代聚變裝置BEST。

另一支“國家隊”中國聚變于2025年掛牌成立，依托中核集團核工業西南物理研究院（下稱“西物院”）60年的發展基礎推進組建，注冊資本150億元，中核集團及其旗下上市公司中國核電合計持股57%，同時引入產業資金中國石油昆侖資本（20%）、上海未來聚變能源（11.81%）、國綠基金（3.19%）和浙能電力（5%）等股東。

在核聚變研究中，等離子體溫度達到上億攝氏度是發生聚變反應的基本條件。2025年3月，中國環流三號首次實現突破“雙億度”：即離子溫度達到1.17億度、電子溫度達到1.6億度，標志著中國核聚變研究快速挺進“燃燒實驗”階段。同時，中國環流三號的聚變三乘積達到10的20次方量級，成功接近10的21次方的點火目標。

中核集團聚變領域首席科學家段旭如3月在接受《中國電力報》采訪時表示，預計中國在2027年可開啟聚變能燃燒實驗研究；2035年左右，建成首個工程實驗堆；2045年左右，建成首個商用示范堆。

科學與工程挑戰

在人類能源需求持續增長、資源與環境壓力不斷加大的背景下，可控核聚變被視為“能源終極解決方案”。

當前主流聚變反應使用燃料氘可從海水直接提取，氚可用氘反應制得。同時，聚變過程不產生長壽命高放射性廢物，安全性更高，符合未來清潔能源體系的發展方向。隨著人工智能、數據中心等高耗電產業快速發展，對穩定、大規模的低碳電力需求持續上升，核聚變提供了一種兼具高能量密度與可持續性的潛在解決方案。

據國際原子能機構《2025年世界聚變展望》報告，全球有近40個國家正在推進聚變計劃。據聚變咨詢機構Fusion Energy Base統計，自2021年起，全球聚變公司的股權投資規模快速增長，尤其是2023年之后，中國的投入顯著提升。2025年全球年度投資規模已接近40億美元，中國和美國占其中絕大部分投資額。

在核聚變國際合作中，ITER（國際熱核聚變實驗堆）項目是當前最具代表性的全球性大科學工程。項目由中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度七方共同參與建設，中國科學院和中核集團也是ITER項目成員。按照設計，其目標是在數百秒尺度內實現約500兆瓦的聚變功率輸出，能量增益達到10倍（即輸出的聚變能量是輸入加熱能量的10倍）。

ITER項目選址于法國卡達拉舍，目前正處于安裝與系統集成階段，真正決定聚變可行性的氘氚聚變實驗結果仍需等到2039年左右才能揭曉。

鐘武律表示，當前聚變領域還存在三大科學問題與三大工程問題尚未解決。

三大科學問題包括：其一，還未能實現高溫等離子體穩態自持燃燒、真正開始聚變反應，相關實驗數據缺乏；其二，在高溫、高能粒子沖擊的極端工況下，聚變堆結構材料損傷如何解決；其三，關鍵燃料氚能否實現規模化循環利用。

三大工程問題為：其一，大型高溫超導強場磁體技術是全球聚變領域的共識，但仍未能直接應用，還需解決如機械應力、失超保護的挑戰，并在復雜“電磁-熱-力”多場耦合條件中獲得測試數據；其二，是等離子體的運行與控制，亟待加強應用人工智能技術進行等離子體破裂預測和應對，有效維持等離子體穩定性；其三，熱量的傳導與轉換問題，高強度且高度不穩定的熱量能否被安全導出并有效利用。

鐘武律認為，高溫超導和人工智能兩項技術將為聚變能的發展提供重要支撐，下一步應依托中國核工業全產業鏈的優勢，以及長期積累的技術基礎推進工程實驗堆建設，率先演示驗證聚變取能與熱電轉化全過程、燃料增殖與循環全系統全流程，解決聚變能工程可行性關鍵核心問題。

“聚變（的話題）很熱，但也不要被這股熱浪燒暈了。”李建剛指出，相比裂變，聚變的復雜程度要高得多，它幾乎把地球上所有的關鍵技術都用了一遍，單是主機系統就要用到低溫技術、超導技術、電磁系統、氚相關技術等。同時還橫跨廣泛的，且有待驗證的科學問題、工程技術與產業鏈條：上游的材料體系涵蓋金屬、無機非金屬、碳基材料及各類絕緣材料；中游涉及數量龐大且種類繁雜的關鍵部件；下游則是更為復雜的運維體系。

責編 | 張生婷

題圖來源 | 視覺中國