核聚变是指由质量较轻的原子核（如氢的同位素氘和氚）在极高温度和压力条件下，聚合形成较重原子核（如氦），并在此过程中释放出巨大能量的物理反应。这一反应释放的能量密度远超化石燃料，且反应产物不含二氧化碳等温室气体，被誉为“终极清洁能源”。

▲ 氘-氚核聚变反应原理示意图

核聚变能源具有四大核心优势：

❶ 资源丰富。海水中蕴藏着约40万亿吨氘，1升海水提取的约0.03克氘通过核聚变产生的能量，相当于300升汽油或336公斤煤的燃烧能量；

▲ 氘在地球上蕴藏量丰富

❷ 安全可靠。聚变反应一旦条件不满足即自动停止，不存在失控链式反应的风险；

❸ 清洁低碳。聚变产物主要是惰性气体氦，不产生长寿命放射性废料；

❹ 高效。单位燃料释放的能量远超裂变和化学燃烧。

❶ 引力约束：这是太阳和恒星采用的方式——依靠天体自身的巨大引力将等离子体束缚在一起。然而，地球上无法复制如此巨大的引力场，因此这一方式无法直接应用。

▲ 引力约束路线

❷ 惯性约束：利用高功率激光或粒子束，从多个方向同时照射一个微小的燃料靶丸，使其外层瞬间汽化膨胀，反作用力向内压缩燃料至极高密度和温度，在极短时间内实现聚变。美国国家点火装置（NIF）就是这一路线的代表。

▲ 惯性约束路线

❸ 磁约束：这是目前最受关注、也最有希望实现可控聚变发电的途径。由于等离子体由带电粒子组成，它们在磁场中会沿磁力线做螺旋运动，因此可以利用强磁场将等离子体“悬浮”约束在真空室中，使其不与容器壁接触，从而维持上亿度的高温环境。托卡马克、仿星器、球形环等装置都属于磁约束路线。

▲ 磁约束路线

核聚变能量产出与三个关键参数密切相关——等离子体温度（T）、密度（n）和能量约束时间（τ_E），即所谓的“聚变三乘积”。要实现有效的聚变能量输出，需要同时实现高温、高密度、高约束和长脉冲运行，这对装置设计和工程技术提出了极致的要求。

► 英国 JET 装置

英国欧洲联合环（JET）装置在核聚变历史上留下了浓墨重彩的一笔。1991年，JET 实现了人类历史上首次受控氘-氚聚变反应；1997年，创下输出功率16.1 MW的世界纪录，Q 值（能量增益系数）达到0.67，这一纪录保持了20多年。2023年，JET 仅使用0.2毫克氘氚燃料，便创下了 69 MJ 的能量产出新世界纪录，随后于当年12月正式退役。

▲ 英国 JET 装置

► 法国 WEST 装置

法国 WEST 装置在5000万摄氏度高温下实现了氢等离子体持续运行1337秒（约22分钟），验证了长脉冲稳态运行的技术可行性。

▲ 法国 WEST 装置

►  美国 SPARC 装置

美国 CFS 公司的 SPARC 项目成功测试了中心螺管模型线圈，实现了50000 A 电流与5.7 T 磁场，验证了脉冲高温超导磁体的快速升流、高储能（3.7 MJ）与光纤淬火检测能力，并完成了首枚D型环向场磁体及低温恒温器底座安装。

▲ 美国 SPARC 装置

► AI 技术加速聚变研发

人工智能正在深度赋能聚变研究。普林斯顿大学运用 AI 技术，实现了提前300毫秒的等离子体不稳定性预测，成果发表于《Nature》；普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）推出 STELLAR-AI 平台，结合 AI 与高性能计算解决聚变研发中的核心瓶颈；英国政府投资4500万英镑打造聚变专用 AI 超算“Sunrise”；美国 CFS 公司通过开源软件 TORAX 集成多个 AI 模型，实现等离子体物理模拟突破。

▲ 部分 AI 技术赋能

► ITER 计划加速推进

2026年3月，ITER 总干事在《Nuclear Fusion》发文，提出“Baseline 2024”计划重塑ITER，开启聚变“加速跑”。截至2026年4月1日，项目已完成4个真空室模块安装，标志着这一迄今最大的国际合作科学工程进入加速建设阶段。

▲ ITER 计划加速推进

▲ ITER 今年4月完成4个真空室模块安装

► 各国加速布局聚变发电

美、英、日均加速部署建设聚变电厂或示范项目，力争2040年前实现聚变发电。2025年6月，英国政府发布《英国现代工业战略》，宣布未来五年向核聚变领域投资25亿英镑，推进 STEP 聚变发电厂建设。2025年2月，美国核聚变发展委员会发布报告，建议2030年前投入100亿美元专项资金，将聚变能纳入国家安全战略框架。2025年6月，日本修订《聚变能源创新战略》，明确2030年代实现发电实证的目标。

► 全球资本高度关注

据欧洲聚变能组织首份《全球私营核聚变行业投资报告》，截至2025年6月，私营聚变企业的投资累计已达99亿欧元。全球已成立50家聚变公司，其中美国38家、中国6家、欧盟6家。磁约束聚变共吸引投资62.35亿欧元（占总投资63%），其中托卡马克技术路线以38.03亿欧元领先。

▲ 全球私营聚变企业分布

中国聚变能应用制定了清晰的“三步走”战略：第一步，以 EAST 装置为物理实验平台，实现1亿度、1000秒的科学验证目标；第二步，建设 BEST 紧凑型聚变能实验装置，实现燃烧等离子体关键物理研究；第三步，建设 CFEDR 中国聚变工程堆，最终迈向商业应用。

▲ 中国聚变能应用“三步走”战略路线图

中国科学院合肥物质院等离子体物理研究所（以下简称等离子体物理研究所）自1978年建所以来，在历届国家领导人的殷切关怀和几代科学家的不懈努力下，先后建成了 HT-6B、HT-6M、HT-7 合肥超环，以及世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置—— EAST 东方超环。

▲ EAST 东方超环

► 国内聚变研究取得系列突破

近年来，国内聚变研究取得了一系列突破性进展。EAST 装置实现了上亿度1066秒高约束模等离子体运行，充分验证了聚变堆高约束模稳态运行的可行性，这是从基础科学研究迈向工程实践的重大拐点。此外，环流三号装置实现了原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”突破。

▲ EAST 装置近年来取得的突破性进展

▲ 环流三号实现“双亿度”突破

► CRAFT

CRAFT（聚变堆主机关键系统综合研究设施）是目前最先进的聚变堆部件研究设施，具有大型复杂的超导磁体系统（磁体储能最高超过 2.5 GJ，导体测试磁场最高 16.5T）和极端工况下偏滤器系统。CRAFT 为我国聚变堆建设做好工程准备。

▲ CRAFT 内部结构

在 CRAFT 支持下，负离子源中性束注入系统满参数通过验收，国际参数最高的超导直线等离子体装置建成运行，低杂波电流驱动系统完成测试并验收，离子回旋加热系统成功研制，环向场磁体线圈盒顺利交付，偏滤器原型部件成功研制——一系列关键核心部件实现了国产化和自主化。

▲ 左：偏滤器原型部件成功研制，右：环向场磁体线圈盒顺利交付

在 AI 赋能方面，等离子体所拥有 PB 量级聚变实验数据，基于科学院磐石大模型，实现了聚变多物理场智能识别与异常工况预警防护。自主研发的“灵枢”等离子体控制系统可靠性达99.73%，核心算法已应用于 DIII-D、DTT、ITER。同时牵头获得了 IAEA“人工智能加速聚变能研究”国际合作研究项目。

▲ AI 赋能聚变发展-高保真数字孪生体

► BEST 装置

BEST（Burning plasma Experimental Superconducting Tokamak，紧凑型聚变能实验装置）是中国聚变能“三步走”战略中的关键一环。

▲ BEST 紧凑型聚变能实验装置概念图

2025年5月1日，随着用于总装装配的4根长达52米的400吨行车主梁运抵施工现场，BEST 项目工程总装工作正式拉开序幕。2025年10月1日，BEST 主机系统中最重的部件、也是国内聚变领域最大的真空部件——杜瓦底座精准落位安装在 BEST 装置主机大厅内，标志着 BEST 装置建设进入关键阶段。BEST 装置将率先开展燃烧等离子体物理实验，演示聚变能发电，标志着中国聚变研究从科学实验走向工程示范的重要跨越。

▲ BEST 园区工程和主机工程加快建设

EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，东方超环）是世界第一个全超导托卡马克实验装置，由我国自主设计研发。在托卡马克聚变装置中，真空系统是提供极致高真空环境、实现粒子注入与排除全流程粒子平衡调控的核心手段，是保证等离子体稳态运行的基础。真空系统需要同时解决杂质排除（退化等离子体约束性能）、燃料粒子再循环控制及芯部加料等关键问题。

▲ 托卡马克聚变装置

EAST 内真空室总面积约160平方米、体积约65立方米，等离子体面对面积约60平方米，第一壁材料为钨。极限真空≤ 2.0×10^-6  Pa，运行时内真空漏放率低于 10^-4 Pa·m³/s 量级，为等离子体放电提供洁净的真空环境。抽气系统包括中平面主抽系统（主抽分子泵+主抽低温泵）、上偏滤器抽气系统（内置式冷泵+低温泵）、下偏滤器抽气系统（内置式冷泵+低温泵）和LHW抽气系统等。

▲ EAST 内真空室抽气系统

EAST外真空室包括装置主机部分和电流引线段真空室。主机部分体积约160立方米，电流引线段体积约22立方米。超导态下主机及各低温真空室真空度≤ 5×10^-4 Pa，为超导磁体的正常运行提供真空绝热条件。主机主抽为4台分子泵，各低温真空室单独由分子泵抽气。

EAST 配备了全面的真空测量系统：常规真空测量覆盖高压气体测量（20~220000 Pa）和真空测量（5×10^-7~10⁵ Pa）；残气测量使用 RGA 质谱计监测真空气体成分；高分辨率质谱分析系统可区分燃料气体氘和聚变产物氦；潘宁光谱利用潘宁规放电测量 He-I 和 Da 光谱，区分 He 和 D₂，研究壁处理的清除率、氦灰排出等。

▲ EAST 真空测量系统

EAST 的加料系统包括普通充气系统（GP：壁处理3路，放电17路）、2套超声分子束（SMBI）、2套弹丸注入（PI）、1套散裂弹丸注入（SPI）和1套破裂缓解充气（MGI），为装置放电提供燃料、杂质气体注入和破裂缓解等需求。

▲ EAST 加料系统

壁处理是保证高参数等离子体获得的关键技术，包括预处理、炮间处理及实时处理，目的是降低第一壁材料表面的杂质及氢的释放。主要方式包括：烘烤（热解吸，第一壁200℃、管道150℃、窗口120℃）和放电清洗（产生低温等离子体轰击壁表面，包括辉光放电和离子回旋放电）。

▲ EAST 壁处理系统-烘烤与放电清洗

EAST 团队创新性地提出了低 Z 元素薄膜涂层作为调控托卡马克器壁再循环与杂质的新方法，实现了 EAST 复杂曲面真空室大面积（65立方米，160平方米，D型）均匀锂/硼膜涂覆。发展了射频放电锂/硼涂覆、原位涂覆等新技术，降低杂质和再循环5~10倍，同时控制氢含量低于5%，解决了长期影响 EAST 长脉冲放电的关键难题。

此外，团队还提出了等离子体中实时注入低Z材料的方法，解决了千秒长脉冲等离子体轰击下薄膜损伤难以实时修复的问题。发展了高压氩气驱动、急冷固化微尺度锂球制备方法，研发了离心加速、锂/硼粉播撒等技术，实现锂球大于 500 m/s 高速注入。

▲ EAST 低Z材料镀膜技术

真空及先进壁处理技术直接促进了 EAST 百秒亿度等离子体的获得。百秒量级锂粉实时注入为 EAST 百秒量级亿度等离子体提供了良好的壁条件，实现了燃料粒子及钨杂质的持续稳定可控。这一成果也进一步促进了 EAST 实现1066秒高约束模（H模）等离子体运行，为示范堆的长脉冲稳态、高参数运行奠定坚实基础。

▲ EAST 百秒亿度等离子体获得

主要任务是研发氚兼容真空系统，同时满足极限真空＜10^-5 Pa，满足长脉冲放电粒子排除及加料的需求。

对于 BEST 装置来说，真空设备面临的主要挑战有：氚泄漏与材料兼容性、复杂电磁环境的干扰及电子器件受辐照失效的辐照问题。

由等离子体物理研究所牵头的聚变产业联盟真空工作组成功研发了DN400口径氚兼容全金属阀门，解决了密封圈结构、轴封方式、阀门结构形式、阀门驱动等技术难题。测试结果优于技术指标：阀门寿命远超5000次，漏率小于10^-6Pa·m³/s。综合性能可比肩国际先进水平，标志着我国在高端真空阀门领域的技术研发取得新突破。

▲ 氚兼容DN400全金属阀门

工作组研发了 DN400 大抽速、大容量冷泵，提高了 EAST 装置粒子排除效率。还研发了 DN400 快速再生低温泵，实现了12K—100K—12K温度区间30分钟快速再生。基于此成功获得2024度磁约束研发专项支持，开展聚变堆涉氚低温吸附泵研制。相关产品还可应用于工业生产过程中大流量氢抽除作业工况。

▲ 面向聚变装置需求的低温泵研发

工作组成功研制出国内首台可常稳态运行的弹丸注入系统。该系统利用低温将氢同位素气体冷凝为固态冰丸，加速注入到等离子体中，具有粒子注入深、加料效率高等优点。弹丸材料为氢/氘，体积12mm³，注入频率 1~10 Hz，发射速度可达 300m/s 以上。

▲ 首台国产连续低温弹丸注入系统

该系统已成功集成到 EAST 装置上，完成了加料性能测试：32个触发脉冲对应32次弹丸注入，加料成功率100%，弹丸加料效率基本上都在60%以上，最大可达100%。这一成果标志着我国成为继美俄后，第三个掌握连续弹丸加料技术的国家。

▲ 弹丸注入系统加料性能测试结果

在涉氚加料关键技术方面，工作组改进了电磁阀，设计了包容和磁屏蔽结构，以及氚增压和回收系统。掌握了 NS-DSMC 模拟方法，模拟了 SMBI 喷嘴尺寸对束流的影响，指导系统设计。同时完成了低温超声分子束系统研发及台面测试，实现团簇注入等离子体，提高加料效率。

▲ 低温超声分子束系统研发

在氘氚运行工况下，工作组发展了基于机器学习的真空泄漏在线监测与故障诊断技术，部署于 EAST 验证了系统的可靠性。完成了真空远程检漏方案设计：采用二级包容、示踪气体及真空测量结合的方式，快速判断泄漏。

▲ 基于机器学习的真空泄漏在线监测与故障诊断

面向氘氚运行工况，工作组开展了分子泵材料及结构研究、轴承动态稳定性研究、故障预测与诊断、精密制造技术研究等。主要考核指标包括：抽速不低于2700 L/s（氢同位素）、全金属密封、主动吹扫、磁屏蔽和故障预测。

工作组成立了“氚兼容粗抽泵研发联合实验室”，开展高可靠性氚兼容密封与结构设计、D/T/He 等小分子气体快速抽除、粗抽泵智能控制与远程运维、氚环境下真空抽气性能与动态模拟、氚兼容特种材料与表面工程、泵的深度去污与氚废物最小化处理等技术攻关。

工作组成立了真空测试与校准联合实验室，构建了真空泵抽速、放气率以及规管标定平台，保障了聚变装置真空关键参数的获得，为泵的抽速速率、器壁放气以及粒子定量计算提供基础。后续计划建立真空测试实验室，申请 CNAS 认证，服务于更多需要进行真空参数测试的团队。

▲ 真空测试与校准联合实验室

回顾 EAST 装置的发展历程，先进的真空、壁处理及加料技术有效地实现了对杂质及燃料粒子的有效控制，为 EAST 装置1066秒高约束模等诸多创世界纪录成果的获得提供了良好的真空和器壁条件。团队积极开展真空获得、加料、检漏及测量等技术攻关，取得了丰硕的成果，多个研发项目获得了科技部项目支持。

更重要的是，依托大科学装置，团队建立了“需求牵引—技术攻关—应用验证”的全链条产学研协作模式，助力企业突破关键技术壁垒，相关技术还可以应用到半导体、新能源、航空航天等其他领域。

展望未来，团队将继续聚焦聚变堆涉氚真空需求，开展多项关键设备研发：氚兼容大抽速分子泵（对氢抽速大于 2.7 m³/s）、大抽速氚兼容罗茨泵机组（无油、氦气抽速约 1500 m³/h）、DN800-DN2000 氚兼容阀门（漏率小于 10^-5 Pa·m³/s）、大尺寸高速氚兼容低温弹丸注入升级（0.5cm 量级、千米/秒）、氚兼容抗辐照无源真空测量设备、双层金属密封圈及陶瓷馈通等真空配件。

核聚变研究不仅关乎能源安全，更关乎人类文明的未来发展。在“双碳”目标的引领下，中国聚变正以高水平科技自立自强，为建设世界科技强国贡献着不可或缺的力量。