摘要：聚变时释放大量能量，产物仅氦与中子，污染极小，理论上可解决人类能源与环境问题，堪称终极能源。六年前相关科普就探讨过其前景，从理论层面，它与人工智能结合，或是推动共产主义革命的关键物质条件。但实现可控核聚变面临许多复杂工程难题。

可控核聚变技术极具潜力，其原料氘能从海水中微量获取。

聚变时释放大量能量，产物仅氦与中子，污染极小，理论上可解决人类能源与环境问题，堪称终极能源。六年前相关科普就探讨过其前景，从理论层面，它与人工智能结合，或是推动共产主义革命的关键物质条件。但实现可控核聚变面临许多复杂工程难题。

2025年1月20日，中科院合肥的EAST托卡马克装置实现上亿摄氏度持续运行1066秒。

EAST托卡马克

六年前，运行记录仅101.2秒且温度未达1亿度，几乎无聚变反应。虽有进步，但与发电站长期稳定运行目标相比，差距明显。目前装置稳态运行以秒计，汇聚顶尖科研力量，造价高，运行成本也高。上千秒运行成绩难得，迈向稳态运行仍任重道远。

EAST为国际热核聚变反应堆ITER项目做技术验证。ITER项目多国参与，原计划2020年产出能源，却多次延期至2042年，预算从50亿欧元涨至300亿欧元，未来或仍有变数，这让人们质疑可控核聚变是否难以摆脱“永远差50年”的困境。

此时，民营企业星环聚能的举动使这一话题再度受关注。

大众疑惑各国政府支持的顶尖组织都未攻克的难题，以盈利为目的的民营企业涉足其中，盈利前景不明。星环聚能的装置位于西安高陵区，普通厂房内有球形托卡马克装置。

球形托卡马克

星环聚能创始人兼首席科学家谭熠教授介绍，宇宙存在强力、弱力、电磁力、引力四种基本力。

电磁力体现为电荷作用，生活中的机械力微观上源于电子云排斥，物体难分离是电荷吸引所致。原子核内质子带正电却未散开，因原子核短距内引力微弱，强力使质子与中子结合。

《三体》中水滴的坚硬就基于强力，其表面分子靠强力结合，远强于人类材料分子间的电磁力。弱力与质子衰变相关，如中子在弱力下衰变成质子和电子。

聚变反应机制如下：太阳等恒星是天然核聚变反应堆。

创世大爆炸后，夸克冷却成中子，中子在弱力下衰变为质子和电子，部分中子在衰变前与质子在强力下结合成氘。

因质量产生引力，氢及其同位素在引力下聚拢。质子靠近时电磁斥力增大，斥力大于引力时不再接近。但外围粒子增多产生压力，质量增加引力上升，内部粒子顶着斥力靠近，相互挤压碰撞使温度上升。

微观上，温度是粒子无规律运动剧烈程度，温度高粒子动能强，可冲破电磁斥力。在压力、引力、温度共同作用下，部分质子突破斥力进入强相互作用范围，氢及其同位素聚合成氦。氘携带的中子增强相互作用，使结合更牢固。聚变过程有质量损失，依据质能方程转化为能量以电磁波形式释放。

聚变一旦开始，周围粒子被加热引发更多聚变，在高温、高压和引力捕获氢同位素作用下持续进行，太阳就此形成。质量更大恒星可沿元素周期表继续聚合元素，铁以上元素多为超新星爆炸产物，金银等源于中子星碰撞，万物元素皆来自恒星反应，恒星消亡爆炸后散布宇宙。

当下关键是在地球重现这一反应。

我国人工核聚变已实现，如氢弹利用原子弹爆炸压力和温度使氢同位素聚合，但这是不可控核聚变，无法用于发电。太阳内部温度1500万摄氏度，压力是地球大气压2500亿倍才有核聚变条件。地球难以用常规方法将氢压至千亿大气压，且无容器承受。

人工核聚变

不过测算发现，氘和氚在过亿温度下可聚变。

虽加热普通物质到上亿度困难，但加热微观粒子团所需能量并非不可实现，只是地球上无材料能承受过亿度物质。因此，将氢同位素变成离子，用强磁场约束并加热以实现聚变，托卡马克装置应运而生。

托卡马克由环形真空式磁线圈的俄语首字母缩写而来，通过导体线圈环绕成甜甜圈状舱室，让氘和氚在磁场作用下运动，用电磁波等加热。聚变燃料沿电场旋转，因高温做无规则热运动，可能撞击氢同位素离子，冲破斥力进入强相互作用范围就会发生聚变。

调整反应物密度、温度和磁场方向，可维持稳定能量输出，实现可控核聚变反应堆，但理论与现实存在差距。

实验中，装置内部高温达上千万度甚至上亿度，无容器能承受。

装置设外壳主要是防止空气污染反应空间。高温氢离子撞击空气分子，不仅无聚变反应，还因分子撞击导致温度耗散，真空环境理论上可绝对保温，所以外壳保护内部实验环境。

但实际中，实验舱室部分区域会过热，导致实验停止，即便输入能量稳定，温度也难维持。

这是因为磁场约束下的等离子体在舱室内流动，且高温高能，形状难控制。此前湍流研究表明，流体中轻微扰动会被放大，带电粒子运动产生电流，干扰破坏约束磁场，部分等离子体冲破磁场冲向容器壁，热流密度超材料极限会损坏装置，时间也会使等离子体消散，这就是难以维持稳定流动的原因。

目前实验燃料主要靠外部热源加热，如电磁波或中性粒子束，内部聚变反应产热不足。外部热源难给时刻变形的粒子流保持高温，等离子体密度和温度降低就无法满足聚变条件。近年来，装置运行时间从几百秒提升至上千秒已属不易，但离长时间稳定运行仍差距大。

针对粒子流控制难题，清华大学谭熠教授提出新思路：放弃维持稳定粒子流和外部热源，利用磁场直接加速带电粒子提升温度。其团队的球形托卡马克装置在真空室产生上下两团等离子体，等离子体沿磁感线运动并随磁场变化扩大。两团等离子体磁力线接触形成八字形后，磁场瞬间变为菱形，处于八字腰部的粒子被弹射出去，磁场能量足够时，粒子弹射后动能转化为热运动，温度可达上亿度。

计算机控制磁场缩小再放大弹射，通过快速、脉冲式变化磁场，像速射炮一样脉冲式弹射粒子加热，这就是磁重联加热技术。该技术摆脱对粒子流稳定性的苛刻要求，不再依赖外部热源，经济且能使聚变反应堆小型化。与传统装置相比，此装置体积小、外部设施少，未来有望用于船舶、潜艇、飞船。

利用变化磁场产生等离子体的装置，借助AI技术避免高温粒子撞击实验室。装置周围线路连接内部传感器，将粒子流数据化，AI根据数据实时计算调整线圈电流，改变磁场方向和强度，调控等离子体流向，避免热失控。当前的零号机是工程验证装置，虽用普通铜线产生磁场，但已能将等离子体加热到1700万摄氏度，稳定实现每秒两次脉冲加热，证明原理可行。

后续一号机将采用高温超导材料，磁场能量增大几十倍，实现上亿温度，达到聚变反应条件，称为完全工程验证装置。

二号机将加入让中子撞击锂产生氚的途径，促使充分聚变并尝试导出能量发电。

三号机是可大规模量产的聚变发电机。

星环聚能有三个厂房，一个用于放置聚变装置，进行实验、调试和监视；

一个是电子元件及电容制造车间，电容为脉冲强磁场供电，电子元件用于监控、调试和控制；第三个正在新建，用于加工测试高温超导磁体，为一号机做准备。当下可控核聚变受关注，一是AI能精确控制磁场方向控制等离子体运动，二是高温超导材料大规模应用。超导材料在极低温度下电阻趋近于0，高温超导材料温度为77K（零下196度），相比此前超导材料所需4.2K（接近绝对零度，零下268.95度），成本大幅降低。

高温超导材料应用可提高核聚变Q值（聚变输出电能与维持聚变反应消耗电能的比值），只有Q值大于1才有意义。超导线圈无电阻，维持反应电能主要用于维持低温，高温超导材料降低制冷成本，且相同质量磁约束能力提升4-5倍，有助于更好约束等离子体。

但高温超导材料应用有挑战，其类似陶瓷结构，脆弱易折，弯折后超导性能丧失，且需不断加工测试。车间里小桶可能浸泡着测试的超导材料，看似废料可能是废弃超导体。入口大棚有制造20K温度环境的设备，普通工作台制造高精尖科学材料，许多工作人员是清华高材生。

星环聚能核心团队来自清华，清华工程物理系等离子体科学与聚变实验室培养的博士，超一半在此任职。将理论转化为工程实际，还有大量工作要做。

在工业化大分工时代，星环聚能工作方式独特。聚变领域小众，产业链不成熟，许多研发需求市场无法满足，部分装置无上游供货商。

因商业化公司对研发速度要求高，星环聚能常自行研发产品或技术，从大型设备到小型电路、传感器等，几乎都自行设计制造。车间工人忙碌加工测试新电路，核心部件亲手打造，还有专门贴片机生产电路板。起初外包工作，但质量和速度不达标，因为外包商不熟悉项目细节。

所以团队戏称“手搓聚变反应装置”，重视团队成员，给予优厚待遇和工作环境。实验上采用快速迭代策略，如测试电容时，将不同种类电容置于实验条件下，淘汰爆炸的电容，类似马斯克用火箭爆炸进行产品快速迭代。

截至目前，项目加上高温超导投入共花费1.5亿人民币，与国际上同类大科学装置动辄几百亿美元花费相比，成本低且等离子体性能指标出色。星环聚能以工程思维快速经济实现聚变能的理念贯穿项目。

只要项目持续推进，在资本市场市值就会上涨，即便短期不盈利，工程进展也能使股份增值，这也是超远期科学研发项目获投资的原因。众多科研团队推动聚变研究，使社会资源向该领域倾斜，让可控核聚变在当下社会环境中有实现可能。

目前，可控核聚变领域不仅有中科院东方超环、中核集团中国环流三号等国家队探索，还有包括星环聚能在内的四家私营企业建成实验装置并实验，更多项目在申报立项。

国际上，全球有79个托卡马克装置在实验，磁约束只是技术路径之一，全球各类聚变实验装置共159台，且以每年6-9个的速度增长。高温超导和AI技术突破后，多种技术路径尝试全面展开。

星环聚能作为2021年成立的新兴企业，三年内取得显著进展。

对于可控核聚变是否“永远差50年”实现的疑问，聚变能开发进展曲线虽有平缓阶段，但已进入急速爬升期，未来十来年实现可控核聚变是有可能的。

星环聚能名字灵感来自《三体》，小说中星环公司建立太空科学城，制造环日粒子加速器，研制出光速飞船。现实中致力于聚变研究的人们，正将理想与现实结合，为可控核聚变技术突破努力，推动人类向获取终极能源目标迈进。

来源：波波百谈