引言：核聚变研究的战略意义与全球背景
核聚变作为一种潜在的无限清洁能源技术，被誉为“人造太阳”，它通过轻原子核（如氢的同位素氘和氚）在高温高压下融合成重原子核，释放出巨大能量。这一过程类似于太阳内部的反应，具有燃料丰富（海水中的氘可供应全球数千年能源需求）、无温室气体排放、无长寿命放射性废物等优势。然而，实现可控核聚变的难度极高，需要将等离子体加热到上亿摄氏度并稳定约束足够长时间。全球范围内，核聚变研究始于20世纪中叶，美国、苏联、欧洲等国家在二战后迅速启动相关项目。中国作为后起之秀，从上世纪五十年代开始涉足这一领域，尽管起步较晚，但通过自主创新和国际合作，已取得显著成就。本文将详细探讨中国核聚变研究的起步历程、关键技术突破、代表性项目以及未来展望，帮助读者全面理解这一领域的中国贡献。
核聚变研究的全球背景可以追溯到1940年代末。1952年，美国成功爆炸氢弹，展示了核聚变的军事潜力；同时，苏联科学家安德烈·萨哈罗夫提出磁约束概念，为可控聚变铺平道路。中国在这一时期正处于新中国成立初期，国家面临能源短缺和技术封锁的双重挑战。因此，核聚变研究不仅是科学探索，更是国家安全和能源战略的需要。中国科学家从零起步，逐步构建起核聚变研究体系，体现了“自力更生、艰苦奋斗”的精神。
中国核聚变研究的起步阶段：上世纪五十年代至七十年代
中国核聚变研究正式起步于1955年，这一年标志着国家层面开始重视原子能科学。1955年1月，中共中央书记处召开扩大会议，决定发展原子能事业，并成立“原子能科学领导小组”。随后，中国科学院物理研究所（现为中科院物理所）和近代物理研究所（后为中科院高能物理所）成为核聚变研究的先驱阵地。早期研究主要受苏联援助的影响，但1960年中苏关系破裂后，中国转向自主创新。
早期理论与实验基础
上世纪五十年代，中国科学家首先从理论入手，研究等离子体物理和高温核反应。1956年，中国科学院物理研究所成立了等离子体物理研究组，由钱三强、赵忠尧等著名物理学家领导。钱三强作为中国原子能事业的奠基人之一，推动了核聚变的理论计算，包括等离子体稳定性分析和磁场约束模型。这些工作借鉴了国际上的托卡马克（Tokamak）概念——一种利用环形磁场约束等离子体的装置。
实验方面，1958年，中国在中科院物理所建立了第一个小型等离子体装置，名为“东方红一号”实验装置（非卫星，而是实验代号）。这是一个简易的磁约束装置，用于研究等离子体加热和约束时间。尽管规模小、设备简陋（仅使用铜线圈和真空泵），但它标志着中国从纯理论转向实验研究。举例来说，该装置的核心是一个玻璃真空室，内部注入氢气，通过电场加热等离子体至数万摄氏度。科学家们记录了等离子体的密度和温度数据，这些数据为后续设计提供了宝贵经验。然而，由于缺乏先进材料和计算工具，早期实验经常失败，等离子体往往在几毫秒内逃逸。
政策支持与人才培养
国家政策是起步的关键驱动力。1956年，中国制定《1956-1967年科学技术发展远景规划》，将原子能列为国家重点任务。1960年代，尽管经济困难和国际孤立，中国仍坚持核聚变研究。1965年，中国在四川乐山建立了“西南物理研究所”（现为核工业西南物理研究院），这是中国第一个专门从事核聚变的科研机构。该研究所的成立源于三线建设战略，旨在将科研设施分散到内陆，避免沿海地区的潜在威胁。
人才培养方面，中国通过“两弹一星”工程间接支持核聚变。许多参与原子弹研制的科学家，如邓稼先和王淦昌，后来转向聚变研究。王淦昌在1960年代提出“惯性约束聚变”概念，为激光聚变研究奠基。早期团队规模小，仅几十人，但他们通过自学和翻译苏联文献，克服了知识空白。举例：1962年，物理学家陈春先在《物理学报》发表论文《等离子体中的波传播》，这是中国首篇系统讨论聚变等离子体的学术文章，引用了国际数据并结合中国实验结果，展示了本土研究的萌芽。
这一阶段的挑战显而易见：技术封锁导致设备进口困难，中国只能自制简易装置。1970年代，中美关系缓和后，中国开始少量引进西方仪器，但整体仍以自力更生为主。总体而言，上世纪五十年代至七十年代的起步奠定了理论和实验基础，尽管成果有限，但培养了第一批核聚变专家队伍。
关键技术突破与早期实验装置
进入1980年代，中国核聚变研究从起步转向快速发展，关键技术逐步突破。核心挑战是实现“点火”——即聚变反应自持燃烧。中国选择了托卡马克路线，因为它相对成熟且成本可控。
托卡马克装置的本土化
托卡马克是磁约束聚变的主流装置，利用环形磁场将等离子体“悬浮”在真空室中，避免与壁接触冷却。中国从1970年代末开始设计本土托卡马克。1984年，核工业西南物理研究院建成中国第一台中型托卡马克“中国环流器一号”（HL-1），直径约2米，等离子体电流可达50万安培。HL-1的建设过程详细如下：
- 设计阶段：团队参考苏联T-3托卡马克和美国PLT装置，使用有限元分析软件（当时是手工计算）优化磁场线圈。磁场强度设计为2-3特斯拉，足以约束等离子体。
- 建造与调试：使用国产不锈钢真空室和铜线圈，注入氘气进行实验。首次放电实验于1984年9月成功，等离子体温度达1000万摄氏度，约束时间0.1秒。
- 实验细节：在HL-1上，科学家们进行了“辅助加热”实验，使用中性束注入（NBI）系统将高能粒子注入等离子体，提高温度。举例：1985年的一次实验中，通过NBI将等离子体加热至2000万摄氏度，观察到聚变中子产额增加10倍。这证明了中国掌握了加热技术，但距离商业点火（需1亿摄氏度以上）仍有差距。
HL-1的运行积累了大量数据，包括等离子体湍流和壁材料侵蚀问题。这些经验直接指导了后续升级。
激光惯性约束聚变的探索
除了磁约束，中国还发展惯性约束聚变（ICF），利用激光束压缩燃料靶丸实现聚变。1970年代，王淦昌提出“激光驱动聚变”设想。1980年代，上海光机所建成“神光”系列激光装置。1986年，“神光-I”问世，激光能量达1千焦耳，用于压缩氘氚靶丸。实验中，激光脉冲持续纳秒级，靶丸内爆产生中子，证明了聚变可行性。举例：1987年实验中，神光-I成功压缩靶丸至密度1000倍液体燃料，释放聚变能量0.1焦耳。这虽小，但标志着中国ICF从理论到实验的跨越。
这些突破得益于材料科学进步，如耐高温钨合金和超导磁体。早期实验虽面临资金短缺（每年仅数百万人民币），但通过“攻关”模式，团队协作解决了等离子体不稳定性问题。
代表性项目：从HL-2A到EAST的演进
1990年代后，中国核聚变进入国际合作时代，代表性项目包括HL-2A和EAST。
HL-2A装置：升级与国际合作
HL-1于1992年升级为HL-2A，位于四川乐山，直径3.8米，等离子体电流达100万安培。HL-2A引入了偏滤器（divertor）设计，用于排出杂质，提高等离子体纯度。2002年首放电成功，2006年与欧盟JET项目合作，进行联合实验。举例：2008年，HL-2A实现“高约束模式”（H-mode），等离子体能量约束时间达0.3秒，聚变性能参数（Q值，能量增益）接近1。这通过加热功率20兆瓦实现，展示了中国在先进运行模式上的能力。
EAST：全超导托卡马克的里程碑
EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，又称“东方超环”）是中国核聚变的旗舰项目，位于安徽合肥中科院等离子体物理研究所。2006年建成，是世界上首个全超导非圆截面托卡马克，直径4米，高3米。全超导意味着使用铌钛合金线圈，在液氦冷却下产生8特斯拉强磁场，无需持续供电，节省能源。
EAST的设计细节：
- 结构：真空室由不锈钢制成，内壁覆盖石墨瓦以承受热负荷。辅助加热系统包括离子回旋共振加热（ICRH）和电子回旋加热（ECRH），总功率40兆瓦。
- 实验成就：2017年，EAST实现101.2秒长脉冲高约束等离子体，温度1亿摄氏度。2021年，进一步实现1.2亿摄氏度、1056秒的“长脉冲高约束模式”，这是全球最长记录之一。
- 举例说明：在2021年实验中，团队注入氘氚混合气体，通过ECRH加热至1亿摄氏度，等离子体密度达10^20立方米^-1，约束时间超过1000秒。这相当于将一锅水加热到沸腾并保持15分钟而不熄火，证明了稳态运行的潜力。EAST还参与ITER项目，提供关键数据。
EAST的成功源于超导技术的本土化：中国从1990年代开始研发超导材料，2000年实现铌钛线圈国产化，成本仅为进口的1/10。
国际合作与全球贡献
中国核聚变研究从起步就注重国际合作。1985年，中国加入国际原子能机构（IAEA）。2006年，中国正式成为ITER（国际热核聚变实验堆）计划的七大成员之一，承诺出资10%（约10亿美元），并提供关键部件如超导磁体和第一壁材料。
ITER位于法国，目标是实现Q>10的聚变能量增益。中国贡献包括：
- 部件制造：例如，2018年，中国交付ITER的“校正线圈”（correction coils），使用高温超导材料，精度达微米级。
- 联合实验：EAST与ITER共享数据，帮助优化运行参数。举例：2022年，中欧联合实验中，EAST模拟ITER场景，实现类似等离子体参数，验证了中国技术的国际水平。
此外，中国与美国、日本等国合作，推动DEMO（示范堆）研究。2021年，中国宣布启动“中国聚变工程实验堆”（CFETR）计划，目标是2030年代建成示范堆，发电能力达2000兆瓦。
挑战与未来展望
尽管成就显著，中国核聚变仍面临挑战：材料耐辐照性（需承受14兆电子伏中子轰击）、氚自持（燃料循环）和经济性（建设成本超百亿美元）。早期起步的“自力更生”精神仍是动力。
未来，CFETR将是关键。它将结合EAST经验，采用混合磁-惯性约束，目标是2050年实现商业发电。中国计划投资数百亿元，培养万名专业人才。此外，私营企业如能量奇点公司正探索高温超导磁体，加速商业化。
总之，中国核聚变研究从上世纪五十年代的艰难起步，到如今的国际领先，体现了科学精神与国家战略的融合。通过详细的技术演进和实例，我们看到这一领域的无限潜力，为全球能源转型贡献力量。读者若感兴趣，可参考中科院等离子体所官网或ITER网站获取最新数据。