核聚变技术，被誉为“人造太阳”的宏伟梦想，是人类追求清洁能源、解决能源危机和应对气候变化的终极解决方案。它不仅能够提供几乎无限的能源供应，而且相较于核裂变，其产生的放射性废物极少，环境影响小，安全性高。在全球范围内，核聚变技术的研究和开发正如火如荼地进行，而最近韩国KSTAR反应堆的宣称在1亿摄氏度下运行，创纪录地运行了48秒。
KSTAR反应堆，全称为韩国超导托卡马克高级研究反应堆，是韩国在核聚变领域的一项国家重点项目。该项目自2008年开始运行，旨在通过实验研究，探索实现可控核聚变的可能性，并为未来的商业化核聚变电站奠定技术基础。
在过去的两年中，全球核聚变技术领域陆续取得了显著的进展。
2022年12月，美国能源部宣布，其下属的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科研人员成功实现了“核聚变点火”。这一“重大科学突破”不仅将为国防及清洁能源未来发展奠定基础，而且意味着核聚变实验中产生的能量多于用于驱动核聚变的激光能量。美国国家点火装置（NIF）在2023年10月成功“点火”两次，即实现可控核聚变净能量增益，让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量。
2022年2月，欧洲联合环状反应堆（JET）在5秒内产生了能量输出为59兆焦耳的稳定等离子体。这项数值是JET在1997年类似实验中取得的能量纪录的两倍之多，被誉为聚变成为可行和可持续的低碳能源道路上的“重要里程碑”。
2023年4月，中国科学院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现了403秒稳态长脉冲高约束模式等离子体运行，刷新了2017年托卡马克装置高约束模式运行101秒的纪录。2023年8月，新一代人造太阳“中国环流器三号”首次实现100万安培等离子体电流下的高约束运行。
人类核聚变能源的研究始于20世纪初，当时科学家们开始探索恒星内部能量的来源。1920年代，亚瑟·爱丁顿提出了氢氦聚变理论，而到了1930年代，汉斯·贝特进一步发展了恒星核聚变的理论。随后，核聚变技术的研究逐渐转向军事应用，特别是在曼哈顿计划中，核聚变被用于开发氢弹。
1950年代，人类首次在核试验中实现了核聚变，但这是不受控制的核聚变反应。随后的几十年中，核聚变技术的研究逐渐转向和平利用，特别是托卡马克装置的发展，成为了核聚变研究的主流途径。1985年，苏联提出国际合作建设国际热核聚变实验堆（ITER），这一项目旨在验证核聚变能和平利用的科学可行性和工程技术可行性。
现在，核聚变的实现主要有2条技术路线，分别是磁约束核聚变技术和惯性约束核聚变技术。中国和欧洲主要是磁约束核聚变技术，美国则是两条技术路线并行。
磁约束核聚变技术是一种通过强磁场将高温等离子体中的原子核约束在一起，以实现核聚变反应的科学技术。这种技术旨在模拟太阳核心的核聚变过程，以获取巨大的能量。在磁约束核聚变中，托卡马克装置是最为成熟的设计之一，它通过在环形真空室内产生闭合的螺旋磁场来约束等离子体，从而维持高温和高压条件，使得原子核能够发生聚变。
磁约束核聚变技术旨在通过磁场的约束和控制，实现高温等离子体中的受控核聚变反应。这一技术的核心在于利用强大的磁场来维持等离子体的稳定性和高温状态，从而促进轻元素核的融合，释放出巨大的能量。在这一过程中，磁场的强度、稳定性、均匀性、形状、动态控制以及对等离子体压强和约束时间的支持都至关重要。
首先，磁场的强度是实现有效约束的前提。经过测算，要实现核聚变，至少需要20特斯拉的磁场强度。磁场强度作为核聚变一个关键参数，意味着20特斯拉能够产生相当于地球磁场数百倍的磁力。这样的高强度磁场可以确保等离子体在高温下不会与反应堆壁接触，避免能量损失和材料侵蚀。
产生20特斯拉的磁场是一项技术上的挑战，它要求使用先进的高温超导磁体技术。高温超导材料是产生这种强度磁场的关键。这些材料，如稀土钡铜氧化物（REBCO），能够在相对较高（高于77开尔文）的温度下保持超导状态，这比传统的低温超导材料更为高效，因为它们减少了冷却的需求并允许产生更强的磁场。超导磁体的设计同样至关重要，它们通过多层超导带材的精密缠绕，配合特定的线圈排列和电流方向，实现强大的磁场。
产生20特斯拉磁场的另一个关键因素是电流密度和线圈结构的优化。通过在超导带材中通以高密度的电流，并设计合理的线圈形状和排列，可以实现所需的磁场强度。同时，为了确保磁场的稳定性和均匀性，超导磁体的设计必须考虑到磁场的分布和线圈的支撑结构。这需要精确的控制系统来动态调整磁场，以应对可能的不稳定性。
尽管高温超导材料的工作温度相对较高，但仍然需要有效的冷却系统来维持其超导状态。通常使用液氦作为冷却剂，通过复杂的冷却通道设计来保持超导材料在合适的温度下工作。
在托卡马克装置中，环形磁场与等离子体电流产生的磁场相结合，形成了特定的磁约束形状，维持等离子体的均匀分布，这对于等离子体的有效约束和核聚变反应的进行极为重要。
磁场需要支持足够的等离子体压强，并维持足够长的约束时间，以满足劳森判据，实现能量的净增益。例如，MIT的Alcator C-Mod装置已经证明了磁场能够支持超过2个大气压的等离子体压强，这是实现可控核聚变的一个关键指标。
惯性约束核聚变（ICF）是一种实现核聚变的技术，它通过使用高能激光或其他粒子束快速压缩含有聚变燃料的微小靶丸，达到极高的密度和温度，从而触发核聚变反应。这种方法的核心在于利用物质的惯性来维持高温高压状态，使得原子核能够发生聚变，释放能量。
ICF的优势在于其相对简单的结构和易于控制的特性，不需要复杂的磁场系统来约束等离子体。此外，ICF技术在国防和安全领域也显示出重要价值。然而，ICF面临的挑战包括如何均匀地压缩靶丸、精确控制点火过程以及提高能量转换效率等。
2024年，为了应对极端的高温环境，KSTAR使用了高熔点金属钨制造关键组件，如分流器和壁板。钨的熔点高达3422摄氏度，是目前已知熔点最高的金属，这使得KSTAR能够在极端条件下保持结构的完整性和稳定性。
KSTAR团队还对磁控技术进行了优化，提升了微波加热效率，从而有效地提高了等离子体的温度和约束时间。通过对磁场分布的精细调节，KSTAR成功地解决了高温与反应堆材料稳定性之间的矛盾，为未来的核聚变实验提供了宝贵的经验和数据。
KSTAR团队设定了更为雄心勃勃的目标，计划到2026年，在1.8亿华氏度（约合1亿摄氏度）的条件下维持等离子体燃烧300秒。这一目标的实现将需要解决更多的科学难题，并推动关键技术的发展。这样的成果不仅对KSTAR项目本身意义重大，也将对全球核聚变能源研究乃至清洁能源的未来发展产生深远影响。
