01 极限挑战

1988年，科学家格林沃尔德发现一个令人沮丧的现象：托卡马克装置中的等离子体密度似乎存在一个不可逾越的上限。

一旦超过这个限度，等离子体就会变得不稳定，无法维持可控核聚变所需的条件。这个发现让全球聚变研究者头疼了三十多年。

核聚变要实现，必须满足劳森判据：等离子体密度、温度和能量约束时间三个要素必须同时达标。长期以来，密度这个要素就像一道紧箍咒，牢牢限制着核聚变研究的发展。

2018年，国际热核聚变实验堆ITER项目曾公布数据，显示当时全球最先进的装置也只能勉强达到格林沃尔德极限的85%左右。突破这个极限，成为全球聚变科学家梦寐以求的目标。

02 中国方案

中国科学家是如何突破这个50年魔咒的？关键在于两项核心技术创新。

第一项是高功率微波加热技术。研究人员采用电子回旋共振加热方法，精准控制等离子体能量分布，使其在超高密度下仍保持稳定。这项技术的精度要求极高，微波功率的波动必须控制在千分之一以内。

第二项是预充气技术。通过注入大量中性气体来冷却壁面区域，有效降低了等离子体与装置壁面的相互作用，减少了能量损失和杂质产生。这个思路看似简单，实际操作却需要极为精密的控制系统。

这两项技术双管齐下，才使得突破成为可能。中国的突破不是偶然的运气，而是长期技术积累的结果。

2024年5月，美国DIII-D托卡马克实验宣布达到格林沃尔德极限的120%，但仅维持了2.2秒。相比之下，中国EAST装置不仅突破幅度更大，持续时间也更稳定。

03 制造力量

核聚变研究的突破，离不开中国先进制造业的有力支撑。

EAST装置所需的超高真空室、大型超导磁体、精密加热系统等关键部件，全部由中国企业自主制造。其中，装置内部的偏滤器部件需要耐受上亿摄氏度的高温，这对材料科学和制造工艺提出了极高要求。

合肥的一家特种材料企业为EAST研发了新型钨铜复合材料，成功解决了高温下材料变形和溅射的问题。这种材料如今已应用于多个高端制造领域。

核聚变研究正在倒逼中国制造业向更高精度、更耐极端环境的方向发展。这种“科研需求牵引制造业升级”的模式，已经成为中国创新体系的重要特点。

04 战略布局

中国在核聚变领域早已布局了清晰的“三级跳”战略。

EAST装置作为第一跳，已经创造了多项世界纪录：1亿摄氏度、1066秒高约束模等离子体稳定运行。如今的密度突破，使这条技术路线更加坚实。

第二跳是合肥正在建设的BEST装置。这个装置计划2027年底建成，2030年就要实现聚变能发电演示。这个进度比国际同类计划提前了近十年。

第三跳则是未来的商业示范堆。中国已经开始了关键技术预研，特别是在氚自持循环和第一壁材料这两个最难啃的骨头上投入了大量资源。

成都的中国环流三号装置在2025年达成了原子核温度1.17亿摄氏度与电子温度1.6亿摄氏度的双高温。这些装置各有侧重，形成了中国核聚变研究的“组合拳”。

05 国际赛场

当中国在核聚变赛道加速时，国际竞争格局也在发生变化。

国际热核聚变实验堆ITER项目由七个主要成员共同推进，但进展并不顺利。2025年4月，ITER才完成首套真空室扇区模块安装，全功率运行时间从2035年推迟到了2039年。

与此同时，私营企业也开始涌入这个领域。2025年7月，全球聚变行业筹集资金超过97亿美元，多家初创公司提出了各种创新的聚变方案。但大多数专家认为，托卡马克路线仍然是最有希望率先成功的路径。

美国能源部在2025年10月发布了新的聚变路线图，计划在2030年代中期实现商业化部署。这个时间表与中国的计划基本同步，预示着2030年代可能成为聚变能源的“关键十年”。

06 现实难题

尽管实验室取得了突破，但核聚变能源真正走向商业应用，还面临三大技术难题。

第一是氚自持循环问题。氚具有放射性且自然界中极其稀缺，必须通过聚变反应自身产生。目前全球氚储量仅够支持几个实验装置运行，如何实现氚的循环利用是必须解决的难题。

第二是面向等离子体的第一壁材料。这层材料直接承受上亿度高温等离子体的轰击，目前最有希望的是液态金属壁技术，但仍处于实验阶段。

第三是能量导出系统。聚变产生的大量能量如何安全高效地转化为电能，涉及复杂的包层系统设计和氚增殖技术，这些都需要工程上的突破。

经济可行性也是重大挑战。国际能源署估计，首座商业聚变电厂的建设成本可能高达数百亿美元。只有当成本下降到合理水平时，聚变能源才能真正取代化石燃料。

当EAST装置中的等离子体密度稳稳越过格林沃尔德极限时，监控室里的欢呼声持续了很久。一位研究员后来回忆说：“那一刻，我们知道，通向聚变能源的道路上，又少了一堵墙。”

根据国际原子能机构的预测，如果当前进展保持下去，第一个商业化的聚变电厂可能在2040年前后出现。到2050年，聚变能源有望成为全球清洁能源体系的重要组成部分。