引言：核聚变——人类能源梦想的终极追求
核聚变作为一种潜在的无限清洁能源，被誉为“人造太阳”，它通过模仿太阳内部的核反应过程，将轻原子核（如氘和氚）融合成重原子核，释放出巨大能量。这项技术不仅能解决全球能源危机，还能减少对化石燃料的依赖，降低温室气体排放。中国核聚变研究从上世纪五十年代起步，历经数十年积累，从基础理论探索到国际合作，再到自主创新，逐步构建起完整的核聚变研发体系。本文将详细揭秘这一历程，结合历史事件、关键技术突破和具体案例，帮助读者理解中国如何一步步走向“人造太阳”的梦想。
核聚变的基本原理基于爱因斯坦的质能方程 E=mc²，其中质量损失转化为能量。在可控核聚变中，主要挑战包括维持高温等离子体（上亿摄氏度）、磁场约束和燃料供应。中国科学家们在这些领域投入巨大努力，从早期的理论研究，到建造实验装置，再到参与国际热核聚变实验堆（ITER）项目，最终实现自主创新，如EAST（东方超环）装置的成功运行。下面，我们将按时间线分阶段详细阐述这一历程。
第一阶段：上世纪五十年代至七十年代——奠基与理论探索（1950s-1970s）
中国核聚变研究的起点可以追溯到上世纪五十年代，那时新中国刚刚成立，国家正处于工业化起步阶段。面对能源短缺和国际封锁，中国政府认识到核能的战略重要性，开始布局核物理研究。1955年，中国科学院成立原子能研究所（后更名为中国原子能科学研究院），标志着核研究的正式起步。这一时期，研究重点集中在基础理论和早期实验，核聚变作为核能的“未来方向”，被纳入国家科技规划。
早期理论研究与人才储备
上世纪五十年代，中国核物理学家们从零开始，学习和消化国外先进知识。著名科学家如钱三强、王淦昌等，从苏联和欧洲引进核聚变理论。钱三强在1955年主持制定了中国第一个原子能发展规划，将核聚变列为长远目标。王淦昌则在1958年提出“惯性约束聚变”概念的早期想法，这为后来的激光聚变研究埋下种子。
这一时期的具体例子是1958年启动的“两弹一星”工程，虽然主要聚焦核裂变（原子弹），但其衍生技术如高温等离子体物理，为核聚变提供了基础。中国科学家们在简陋条件下，利用自制设备进行等离子体诊断实验。例如，1960年代，中科院物理研究所的团队在北京郊区搭建了第一个小型等离子体装置，模拟太阳内部环境，温度虽仅达数千度，但验证了磁场约束的基本原理。这阶段的研究虽受限于资源，但培养了第一批核聚变专家，如后来领导ITER中国团队的霍裕平院士。
技术挑战与初步成果
当时的主要挑战是缺乏先进设备和计算工具。科学家们手工计算等离子体动力学方程，使用老式计算机模拟聚变反应。1970年，中国第一座重水反应堆在原子能院建成，虽主要用于裂变研究，但其产生的中子源为聚变燃料（如氘）实验提供了支持。到七十年代末，中国已初步掌握托卡马克（Tokamak）装置的基本设计原理，这是一种利用环形磁场约束等离子体的装置，是国际公认的可控聚变主流路径。
这一阶段的成果虽基础，但奠定了中国核聚变的理论根基。国家政策如1956年的“十二年科技规划”明确支持核能研究，确保了资金和人才投入。到1970年代，中国已有数百名核物理学家投身聚变领域，为后续实验装置建设铺平道路。
第二阶段：上世纪八十年代至九十年代——装置建设与实验突破（1980s-1990s）
进入八十年代，中国改革开放带来科技投入的增加，核聚变研究从理论转向实验。国家启动“863计划”（高技术研究发展计划），将核聚变列为能源领域的重点项目。这一时期，中国开始建造自己的托卡马克装置，实现了从“跟跑”到“并跑”的转变。
中国环流器一号（HL-1）的诞生
1984年，中国核工业总公司在四川乐山建成中国第一台托卡马克装置——中国环流器一号（HL-1）。这是一个中型装置，直径约2米，能产生数百万摄氏度的等离子体。HL-1的建设过程充满艰辛：团队从苏联引进部分技术，但核心部件如超导磁体需自主研制。工程师们在北京和乐山之间往返，克服材料短缺和技术封锁。
HL-1的成功运行是里程碑。1985年，它首次实现等离子体电流超过100千安，持续时间达1秒。这相当于在实验室中模拟了太阳的“点火”过程。具体例子：在1987年的一次实验中，HL-1团队通过优化磁场线圈，将等离子体约束时间延长到2秒，能量增益因子（Q值，输出能量与输入能量之比）达到0.1。虽远未达到商业水平（Q>10），但这证明了中国能独立运行托卡马克，为后续装置积累数据。
九十年代的升级与国际合作
九十年代，HL-1升级为HL-1M（1994年），并新建HT-7装置（1994年，合肥等离子体物理研究所）。HT-7是中国第一台超导托卡马克，使用液氦冷却的超导线圈，能长时间维持磁场，减少能耗。1998年，HT-7实现等离子体温度超过1000万摄氏度，约束时间达3秒。
这一时期，中国开始融入国际聚变社区。1985年，苏联提出国际热核聚变实验堆（ITER）倡议，中国于1990年代初加入讨论。1998年，中国正式成为ITER预备成员，提供资金和技术支持。这阶段的突破还包括燃料循环研究：科学家们在HT-7上实验氘-氘聚变，产生中子辐射，验证了燃料注入系统的可行性。例如，1996年的一次实验中，团队使用微波加热技术，将等离子体能量提升20%，展示了加热方法的创新。
到九十年代末，中国核聚变研究已形成以中科院等离子体物理研究所和核工业西南物理研究院为核心的两大基地，年均发表论文数百篇，培养了上千名研究生。国家“九五”科技攻关计划进一步加大投入，确保研究可持续发展。
第三阶段：二十一世纪初至2010年——国际合作与自主创新（2000s-2010s）
进入新千年，中国核聚变研究加速向国际前沿迈进。2003年，中国正式加入ITER项目，成为七个成员国之一（欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度、中国）。ITER是全球最大的聚变实验堆，目标是实现Q>10的聚变功率输出。中国承担了约9%的经费（总计数十亿美元），并提供关键部件如超导磁体和真空室。
EAST（东方超环）的研制与成功
2006年，中国在合肥建成全超导托卡马克EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak），这是世界上首个非圆截面全超导托卡马克。EAST的设计灵感来源于ITER，但尺寸更小（半径1.78米），便于实验迭代。其核心是超导磁体系统，能产生高达13特斯拉的磁场，约束等离子体达数千秒。
EAST的标志性成就发生在2017年：实现101.2秒的高约束模等离子体运行，温度超过5000万摄氏度。这相当于在地球上制造了一个微型“人造太阳”。具体例子：在2018年的一次实验中，EAST团队使用中性束注入（NBI）加热技术，将等离子体加热到1亿摄氏度，持续10秒。这验证了长脉冲运行的可行性，为ITER的稳态操作提供数据支持。EAST还创新了“双零位形”等离子体控制，避免边缘局域模（ELM）不稳定性，这是聚变装置的常见难题。
ITER项目的中国贡献
在ITER中，中国负责制造大型超导磁体系统和包层模块。2008年，中国团队在四川绵阳的工厂成功生产ITER的极向场线圈原型，精度达毫米级。这体现了中国制造业的崛起。到2010年，中国已向ITER投入超过10亿美元，并派遣数百名工程师赴法国参与组装。
这一阶段，中国还启动了“中国聚变工程实验堆”（CFETR）预研，目标是建造比ITER更大的示范堆（Q>25）。例如，2012年，中科院等离子体所提出CFETR设计方案，采用氦冷固态包层技术，能实现氚自持循环。这标志着中国从“参与者”向“领导者”转型。
第四阶段：2010年至今——领先与未来展望（2010s-现在）
近年来，中国核聚变研究已进入全球领先行列。EAST持续刷新纪录，2021年实现403秒高约束模运行，2023年又实现1.2亿摄氏度等离子体运行101秒。这些成就得益于AI辅助控制和先进材料的应用。
新装置与技术突破
2020年，中国在成都建成环流二号A（HL-2A），升级为HL-2M（2023年），实现等离子体电流超过3兆安。同时，合肥的聚变新园区启动，目标是建设EAST的升级版和CFETR原型。
国际合作方面，中国在ITER的贡献已超预期：2022年，中国交付的ITER杜瓦底座（重达1250吨）成功安装，展示了重型装备制造能力。国内，民营企业如能量奇点也开始参与，2023年其高温超导磁体技术助力聚变研究。
挑战与未来路径
尽管进展显著，挑战仍存：氚燃料循环、材料耐辐照和经济性。中国计划到2035年建成CFETR示范堆，到2050年实现商用聚变电站。具体例子：2023年EAST实验中，团队使用机器学习优化等离子体形状控制，将不稳定性发生率降低30%，这为未来AI驱动的聚变运行铺路。
结语：从五十年代到“人造太阳”的中国梦
从上世纪五十年代的理论奠基，到如今的EAST领跑全球，中国核聚变研究走过了一条从无到有、从弱到强的道路。这不仅是科技的积累，更是国家意志的体现。通过自主创新与国际合作，中国正一步步接近“人造太阳”的梦想，为全球能源转型贡献中国智慧。未来，随着CFETR的建成，我们或许能在本世纪中叶见证聚变能源的商业化，点亮人类可持续发展的曙光。