中国聚变能源有限公司于7月22日在上海正式成立，标志着国家可控核聚变工程化与商业化战略进入新阶段。从国家战略上来说，该公司的成立标志着以国家意志为主导的投资三步走规划正式成型：短期强化半导体与AI领域，中期以雅江水电站等超级工程推动基建升级，远期则押注可控核聚变的能源革命争夺科技主导权。
现在可控核聚变主要分为磁约束和惯性约束两类，最具有代表性的包括磁约束路线的托卡马克和仿星器以及惯性约束的激光聚变和Z-箍缩四条技术路线。两种约束方式的不同代表了可控核聚变在约束时间和密度之间的权衡。
其中托卡马克路线因工程成熟度最高成为全球主流，而在这个领域中国已经取得重大突破。“中国环流三号”装置于2025年实现原子核温度1.17亿摄氏度与电子温度1.6亿摄氏度的“双亿度”里程碑，距离“能量增益Q>1”的目标越来越近；“东方超环”装置首次完成1亿摄氏度1000秒“高质量燃烧”，创造新世界纪录。
相比之下，美国国家点火装置虽在2022年实现激光聚变点火实验，但四次实验只是其释放能量大于单次驱动的激光能量，但远小于整个系统的消耗电能。而且激光可控核聚变路线在原理上更侧重军事应用，同时在低成本生产点火靶丸和激光高频驱动上面临挑战，商业化路线不如托卡马克明晰。
尽管宣传重点不同，中美在各技术路线均有布局。中美对于不同技术路线态度上的温差其中部分原因来自稀土。中国拥有稀土资源优势，未来有望在全高温超导托卡马克路线上实现领先，而美国部分企业近年来则更加侧重宣传不依赖高性能磁铁的惯性约束路线。
现在可控核聚变的商业化进程已挣脱“永远50年”魔咒。根据我国路线图，2035年将建成的聚变工程实验堆有望在建设完成初期实现100~200MW的聚变功率输出，在2050年前后并网供电。同时随着民间资本加速涌入，初创可控核聚变公司能量奇点有望在2027年建成，以“能量增益Q>10”为目标的，全高温超导托卡马克装置“洪荒-170”。人类终极能源革命曙光初现。
【文/观察者网 唐晓甫】
7月22日，中国聚变能源有限公司挂牌成立大会在沪举行。该公司由中核集团牵头组建，是其直属二级单位。中国聚变公司将作为推进我国聚变工程化、商业化的创新主体，重点布局总体设计、技术验证、数字化研发等业务，并建设技术研发平台和资本运作平台。自此，由中央牵头的中长期投资计划已经明确：
短期内，我国将延续自2014年6月开始布局的国家大基金路径，加速推进半导体产业发展，并进一步加强在半导体和AI领域的研究；中期，以雅江水电站为代表的中央政府主导的超级工程项目，将引导中国实现面向下一个五十年的基础设施升级需求；而远期，国家将继续大力投入以可控核聚变为代表的能源革命，让中国在未来的竞争中获得更大的科技竞争优势。
不少人可能会问，可控核聚变不是总说还有五十年吗？为什么我们如此急迫地关注可控核聚变？答案其实很简单，因为可控核聚变商用早已经脱离“永远还要五十年”的魔咒，可能会在十多年内就实现初步商用。现在谈可控核聚变和2000年初布局电动汽车技术类似，但唯一不同的是，一旦走通了这条路，以可控核聚变带来的能源、材料学和动力革命，该产业的潜在收益将远超电动汽车。
可控核聚变不止于托卡马克一条路线
大多数朋友听说过可控核聚变，但对于可控核聚变的具体路线可能知之甚少。简单来说，可控核聚变主要分为两条路线：惯性约束与磁约束。
四种可控核聚变路线，左上为托卡马克装置（中国环流三号）；右上为仿星器装置（Wendelstein 7-X）；左下为激光可控核聚变装置（国家点火装置）；右下为Z-箍缩装置（Z Pulsed Power Facility）
惯性约束的核心思想是利用激光或粒子束等方式在极短时间内，把微小燃料靶丸（通常是氘－氚混合物）压缩到极高的温度和密度，使其在自身惯性的“瞬间”达到聚变点火条件，从而发生聚变反应。在惯性可控核聚变的众多设想中，各国主要关注的可以分为两个不同的技术路线：激光可控核聚变和Z-箍缩（Z-Pinch）装置。
前者主要通过多束高能激光从各个方向同时照射一个微小的燃料靶丸（通常是氘－氚混合物），在极短时间内将其压缩到极高的温度和密度，从而实现核聚变“点火”。
这一路线的代表是美国在20世纪90年代就开始建造的“国家点火装置”（NIF），该装置曾在2022年首次实现“聚变点火”，引发全球关注和讨论。但当时舆论场的多数讨论忽略了一个基础事实：这次点火仅仅是输出能量超过输入到靶丸的能量，远远低于整个系统的总能耗（包括激光产生、制冷、转换等全系统输入能量）。
即便不考虑中子辐照、靶丸生产等一系列问题，仅就能量输出方面，激光可控核聚变路线距离真正实现持续可控核聚变也还很远。这方面，中国也一直在跟进研究，其中的代表就是“神光1、2、3”号。
第二条路线是Z-箍缩路线，一种利用强脉冲电流通过等离子体本身所产生的磁场，把等离子体束缚并径向压缩到高温高密状态，以实现核聚变的物理方法。这一路线的代表是美国桑迪亚国家实验室的Z Pulsed Power Facility、中国的聚龙一号等。
Z-箍缩技术原理
笔者曾在多年前见过中国的激光聚变和Z-箍缩装置，至今对它们记忆犹新。
相比于惯性约束，现在各国投入更多的是磁约束方式，磁约束又分托卡马克、仿星器、场反位形、磁镜等，其中托卡马克是主流方向。相比于惯性约束的短时间高温极高密度实现可控核聚变路线，磁约束是利用强大的磁场把高温等离子体（如氘、氚气体的等离子体）限制在空间内，使其在足够长时间内保持高温高密度，实现聚变反应。
从原理上来说，托卡马克路线和仿星器路线既有相似之处也有不同之处。相同之处在于，两者都是依靠强磁场把高温等离子体限制在环形空间内，实现可控核聚变。
但最显著的不同在于磁场。一般来说，磁约束可控核聚变的磁场可以分为环向和极向磁场，其中环向磁场在可控核聚变中负责主约束作用，是用于抑制高温等离子体在径向的扩散、保证聚变反应持续和稳定运行的物理核心。
在只有环向磁场时，带电粒子会（因曲率漂移和梯度漂移）整体产生垂直漂移，难以实现长期约束。所以需要加入极向磁场，让磁场线变成“螺旋结构”，使得等离子体粒子在三维空间中绕环做复杂运动，抑制粒子的垂直漂移和扩散，提高等离子体的稳定性和能量约束。
由于托卡马克几何外形更加简单，极向磁场主要由等离子体环向电流产生，外部极向场线圈用于形状与位置控制，而仿星器通过复杂三维几何设计的外部超导线圈直接产生所需的环向和极向磁场，几乎无需依赖感应等离子体电流，理论上可实现无感应电流的稳态运行。
托卡马克与仿星器 图片来源：IAEA
所以一般认为，尽管托卡马克路线目前很流行，但仿星器仍有可能在某一天成为未来聚变能电厂的选择。
惯性约束和磁约束究竟差距有多大。这里我们可以引入一个至关重要的概念，也就是聚变三乘积，从数据的角度直观感受不同路线之间的差别。所谓聚变三乘积就是衡量聚变系统是否能实现自持聚变反应（点火）和能量增益的基本判据，也就是等离子体中离子密度n（公式中密度的单位通常为每立方米粒子数）、温度T（单位为千电子伏特，1电子伏特约等于11605K）、能量约束时间τ（单位为秒）的乘积。只有当聚变三乘积达到或超过某一阈值时，聚变反应才能实现自持燃烧。
在此需要补充一点，那就是根据分子运动理论，理想气体中，每个粒子的平均动能与温度的关系是：
于是，我们可以将等离子体温度理解为等离子的平均动能代入聚变三乘积。在计算中，需要考虑到，两个粒子发生核反应的概率与粒子的动能高度相关，对于氘-氚（D-T）核反应来说，在14千电子伏特（keV）处反应概率最高（有效截面最大）。综合工程以及包括等离子体的能量损失机制在内的因素考虑，托卡马克的T的设计值大约在10–20keV之间，在宏观温标下约为亿开尔文级。
而当前激光聚变研究最关注的温度范围，则是3.5-6.5keV范围内，这一温度虽然低于10keV，但是同时也意味着两条路线之间在等离子宏观温度上没有显著的数量级差距。所以从工程角度看，磁约束和惯性约束两条技术路线的根本差别体现在密度n与能量约束时间τ之间的取舍。
惯性约束装置与磁约束装置对比 图片来源：“浅谈激光聚变”
现在磁约束路线的有效约束时间一般为秒至分钟量级，以理想状态等离子体温度为10keV（宏观约为1.1亿度）的D-T反应为例。当聚变反应产生的能量大于输入的能量（即Q>1），nτ≥10^20(s/m^3)，这使得n的数值需要达到至少接近每立方米10^20个粒子级别。
以激光可控核聚变路线为代表的惯性约束驱动源的脉宽长度只有十几个纳秒（10^-8秒），有效约束时间甚至为百皮秒量级（10^-10秒）。假定磁约束可控核聚变有效时间是我们当前时空尺度下的一分钟，然后假设有个人从惯性约束角度观察磁约束聚变，并把惯性约束的有效时间定义为“一秒”，那么在他的时空视角下，磁约束完成的时间是将达到近“2000年”。
短暂的约束时间使得惯性约束的密度n甚至需要达到每立方米10^31个粒子级别，才能达到实现聚变的门槛。而这一密度已经是正常固体的原子数密度的1000倍左右，要知道，固体密度和气体的密度差距大多也在1000倍这个数量级上。而且惯性约束过程中会因为辐射、压缩能量传递等多方面问题造成大量能量损失。这使得惯性约束路线实现Q>1所需要的nτ值≥10^22（s/m^3），相比于磁约束大两个数量级。
不同技术路线对不同参数的取舍其实并不令人意外，因为追根溯源，两者的研究初衷有本质不同。简单来说，磁约束聚变路线在其提出之初就几乎是完全民用，而惯性约束路线的提出与核武器研发关系更深，后文会有详细论述。