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被誉为“人造太阳”的中国东方超环（EAST）装置，2025年成功实现了持续1000秒高约束等离子体运行，刷新了世界纪录

国际热核聚变反应堆（ITER）装置结构图

20世纪是物理学发展的黄金时代。从 20 世纪初被誉为“物理学两朵乌云”的经典物理困境出发，人类很快迎来了现代物理的两大革命：相对论和量子力学。在短短几十年间，这两大理论体系取得了令人震撼的突破，同时粒子物理、凝聚态物理、核物理、等离子体物理等一系列新兴领域也迅速涌现，并带动了电子、能源、航天、信息技术等众多行业的飞跃发展。

如果说人类文明的进步源自对未知的探索，那么物理学，作为自然科学的基石，其使命始终如一。面对未来，孩童往往会满怀憧憬地说：“我想驾驶飞船，登上火星，飞向遥远的星辰大海。”这种对远方的渴望，深植于人类心中。然而，支撑这份梦想的，不只是想象力，更需要对自然的深入认识和强大的科技作为后盾。

在谈到长距离的星际飞行时，传统的化学燃料——哪怕是最先进的火箭推进剂——也无法满足需求。面对这个挑战，无论是科学家还是科幻作家，几乎都不约而同地将目光投向了同一个方向：核聚变能源。在美国科幻电影《星际迷航》中，宇宙飞船“企业号”使用的就是激光聚变反应堆作为动力源泉；在中国科幻电影《流浪地球》中，推动地球逃离太阳系的“行星发动机”同样基于聚变能源的设想。这些设定并非无的放矢，而是基于科学界普遍共识：唯有核聚变，才可能为人类开启穿越星海的大门。

近在咫尺却又遥不可及：

人类对聚变能源的追寻

人类对核聚变能源的渴望，几乎可以追溯到文明的起点。自古以来，人类仰望星空，就曾一次又一次地发问：如何能把太阳和星辰的光芒，在地球上重现？最初，人们只能将其视为天地的恩赐。随着科学的发展，人类开始尝试用化学能量、引力能量等理论去理解恒星发光发热的奥秘，但始终无法真正揭示它背后的能量来源。直到 20 世纪 20 年代，英国物理学家阿瑟·爱丁顿（ArthurEddington），通过分析太阳光谱的成分、结合实验室对原子核质量的精确测量结果，并运用爱因斯坦提出的质能等价原理，首次提出了新的解释：恒星的能量，来自于原子核的聚变反应，即较轻的元素在极高温高压下融合成较重的元素，在这一过程中释放出巨大的能量。

从爱丁顿提出这一理论起，短短不到 30 年，核聚变的能量在人类世界实现了第一次规模性释放：氢弹的试爆。它标志着人类首次真正掌握了部分再现聚变能量的技术手段。当时，科学家和公众都充满了信心，相信核聚变也会在不远的将来实现可控利用，使人类将拥有几乎取之不尽、清洁安全的能量，从而真正开启一场新的宇宙探索征程。

然而，时间过去了七十余年，可控核聚变能源依然未能实现。在科学界流传着这样一句玩笑：“核聚变的实现还有 50 年——而且一直都是”。与核裂变能源不同，要实现核聚变，需要极端苛刻的物理条件：反应物温度必须达到上亿度，而物质在这样的环境下，不再是普通的固态、液态或气态，而是进入了被称为“等离子体”的第四态。可以说，想要在地球上制造“人造太阳”，就如同伊卡洛斯向着真正的太阳飞翔，必须面对炽烈高温的严酷考验。如何在不接触容器壁的情况下，将等离子体牢牢束缚在一个有限空间内稳定燃烧，成为了科学家们必须攻克的关键挑战。

挑战与突破：

聚变路线的技术突围

针对这一问题，科学家们提出了两条主要的技术路径：一是磁约束核聚变，即通过极其强大的磁场，将带电的等离子体粒子束缚在磁力线附近运动。二是惯性约束核聚变，是通过高能激光束在极短时间内猛烈压缩微小的燃料靶丸，使其在自身惯性约束下迅速升温、点燃并发生聚变反应。

在20世纪，磁约束聚变领域取得了令人瞩目的进展。以托卡马克（Tokamak）为代表的技术路线，通过环形线圈产生强磁场，实现了对高温等离子体的稳定约束。美国的托卡马克聚变试验堆（Tokama kFusionTest Reactor，TFTR）装置和欧洲联合托卡马克（Joint European Torus，JET装置在实验中都首次观测到了氢的两种同位素——氘和氚——发生大规模核聚变反应并释放出巨大能量的现象。当时，科学界相信，只要沿着托卡马克这一技术路线继续推进，制造出更大尺寸、更高磁场、更强加热功率的装置，就有望实现正能量增益（Q>1），即聚变反应产出的能量大于维持反应所需的输入能量。一旦达到这一目标，核聚变发电将不再是梦想。为此，世界各国在 20 世纪末携手启动了国际合作项目——国际热核聚变实验反应堆（ITER）。中国作为重要成员之一，积极参与了ITER的设计、建造与技术攻关。根据目前的规划，ITER 计划在 2040 年前后实现 500 兆瓦聚变能量释放的重大突破。另一方面，美国则以激光惯性约束聚变路线为基础，建造了国家点火计划装置，在经历了十余年的反复试验与技术优化后，在2022 年首次达成了聚变反应的正能量增益，为核聚变能源的可行性提供了强有力的实验验证。

然而，当前主流聚变方案也暴露出了严峻的现实问题：对高温等离子体有效约束的需要，推高了实验装置对尺寸和功率的极限要求。无论是托卡马克还是惯性约束装置，核心反应区通常需要达到足球场般的尺度，而外围还要建设成倍规模的辅助系统。这无论对于实现经济上可行的商业发电，还是未来构建轻便高效的星际飞船推进器，都是巨大的挑战。

一个研究领域的突破，往往需要来自其他领域的协同创新。对于核聚变研究而言，当前最重要的进展，正是得益于材料科学与人工智能技术的飞速发展。在材料领域，高温超导技术的突破带来了革命性的变革。近几年，随着新型高温超导材料性能的大幅提升，美国麻省理工学院与美国联邦聚变系统公司（Commonwealth Fusion Systems，CFS）提出了将高温超导磁体应用于托卡马克装置的新方案，使得在仅有ITER装置四十分之一体积和建造成本的条件下，有望实现与 ITER 相当的聚变功率输出。这是因为高温超导材料能够耐受更高的磁场强度，意味着可以在更小的空间内产生更强的磁约束力，显著提升等离子体的约束效率。这一突破，极大地推动了小型化、模块化、商业化聚变堆的可行性。

与此同时，另一场技术革命也正在悄然改变聚变研究的面貌——那就是人工智能技术的广泛应用，其中包括：优化下一代聚变反应堆的设计方案；实现对高温等离子体实时监测与智能控制；加速复杂的等离子体行为仿真模拟，缩短理论验证与实验设计的周期等。正如上世纪超级计算机的发展推动了科学研究的步伐一样，今天的人工智能技术，正在成为聚变研究领域的一台全新的“加速器”。

从追赶到引领：

中国聚变事业的发展

目前，我国的聚变研究事业，已经实现了从“追赶者”到“赶超者”的转变，正朝着成为世界聚变研究领域“领导者”的目标稳步迈进。在磁约束聚变领域，我国已初步形成了以中国科学院等离子体物理研究所和核工业西南物理研究院为核心，全国多所高校与科研机构积极参与、协同攻关的格局，各项关键技术研究正在稳步推进。其中，中科院等离子体物理研究所在 2025 年创造了新的里程碑——在中国东方超环（EAST）装置上，成功实现了持续 1000秒高约束等离子体运行，刷新了世界纪录，标志着我国在托卡马克稳定约束与持续运行技术上，达到了世界领先水平。新一代紧凑型聚变能实验装置 （BEST） 具备与美国 CFS 公司装置相近的等离子体参数，定位于长脉冲运行的聚变堆验证平台。同时，位于成都的核工业西南物理研究院的环流器3号装置计划于 2027 年底开展氘氚聚变实验。

值得骄傲的是，在这一伟大事业的背后，无论是在国家科研院所，还是在新兴聚变创新企业中，都活跃着一批又一批北京大学学子的身影。他们扎根实验室，攻关核心难题，用实际行动践行着习近平总书记提出的“把论文写在祖国的大地上”的号召。目前，科研团队正朝着下一步目标努力，为在未来实现真正的聚变能源发电打下坚实基础。

又到了一年一度的校庆时节。每当这个时候，仰望着由鲁迅先生亲自设计的北大校徽，心中总会感受到肩头沉甸甸的责任与使命。核聚变能源的实现，或许仍需要漫长的探索与坚持，但绝不是一项“不可能完成的任务”。只要我们秉持艰苦奋斗、追求卓越的精神，北大人必将在这项关乎人类未来的伟大事业中，书写下属于自己的光辉篇章。让我们一起，点燃心中的星辰之火。

（作者为北京大学物理学院助理教授）