核聚变为何在地球上必须达到太阳中心温度的10倍

比太阳更热，却总要再等30年

地球核聚变要实现，得把燃料加热到太阳核心温度的十倍。太阳核心的温度大约是1500万摄氏度。地球上最常见的核聚变装置，会把燃料加热到大约1.5亿摄氏度。为什么需要比太阳本身还高的温度？

核聚变科学家有句老笑话：核聚变发电总要等三十年。在谷歌输入“核聚变总是”，建议立刻出现“还要三十年”。核聚变让太阳发光：轻原子核结合在一起，释放能量。核聚变电站也会在地球上这么做，把能量转成电力。

2022年12月，加州激光实验室宣布，一次核聚变实验释放能量超过激光送入燃料的能量。世界各地的头条都把它称为突破。现在是2026年，中国正在建造一台机器，希望证明核聚变能在2030年前后发电。一家美国初创公司签约，要在2028年底前把核聚变电站接入电网。

地球最大核聚变项目，法国ITER，计划2039年开始用真正的核聚变燃料。到底是哪种？核聚变近在眼前，还是仍要等三十年？这笑话公平吗？这些高温真能解释原因吗？从一个谜题开始：太阳只需1500万摄氏度，我们为何需要1.5亿？

太阳只需要1,500万 °C

问题在于，原子核会互相推开。每个原子核都带正电，而同种电荷会彼此排斥。要聚变，两个原子核得顶着斥力靠得很近；燃料越热，移动越快，也越能靠近。按经典物理规则，太阳核心质子慢得不可能靠那么近。

按这些规则，太阳根本不该发光。救了它的是量子隧穿。原子世界里，能量不足、翻不过屏障的粒子，仍有极小机会出现在另一边。像滚不到山顶的慢球，却偶尔出现在山坡另一边。

太阳聚变链第一步还需另一罕见事件：两个质子之一须在恰当时刻变成中子。这些条件合在一起，核心普通质子大概要等100亿年才聚变。那太阳为什么还能发出这么强的光？引力把太阳核心压到每立方厘米约150克。

这几乎是黄金密度的八倍。核心巨大，极罕见反应每秒也发生无数次。实际上，太阳核心每立方米只释放大约250到300瓦的热量。约等于同体积一堆粪肥放的热量，还少于人体。

太阳不是猛烈熔炉，而是引力维系、能等几十亿年的慢熔炉。地球没有压紧核心的引力、恒星般大的核心，也等不起几十亿年。所以我们只能用温度来补偿。

地球为什么需要1.5亿 °C

地球上最易实现的核聚变反应，是两种较重氢同位素间的反应。氘是多一个中子的氢，可以从水中提取。氚多两个中子，而世界上的氚非常少。两者聚变后，会生成一个氦原子核和一个携带大量能量的中子。

要让这种反应足够频繁，燃料必须加热到大约1.5亿摄氏度。在这种高温下，普通气体已经不存在了。电子从原子中挣脱，留下自由电子和带电原子核的热汤，叫等离子体。你在闪电和霓虹灯里见过等离子体；聚变装置里的更热，氢只剩原子核。

但光有高温还不够。1955年，物理学家约翰·劳森算出燃料须满足什么条件，聚变输出才超加热输入。他的答案要把三项相乘：燃料密度、温度和保热时间。这个三项相乘的量叫三重积，必须达到的最低值叫劳森判据。

篝火要足够热、木柴堆得够紧、散热不太快，才能继续燃烧。法国原子能机构CEA认为，这种甜甜圈形装置的最佳温度约为1.5亿到2亿摄氏度。而且等离子体必须把能量保持超过一秒。

一秒听起来很短，但别忘了，燃料的温度是太阳核心的十倍。2025年5月，德国的Wendelstein 7-X创下三重积世界纪录，它把等离子体维持了43秒。这样的纪录是在向目标迈进，但纪录本身不是目标。

如何约束1.5亿 °C？

怎样把温度保持在1.5亿摄氏度？没有任何材料能碰到它。多数实验室的答案是磁场。等离子体由带电粒子组成，沿磁场线运动。

托卡马克是甜甜圈形真空室，外绕强磁体，让等离子体悬浮远离器壁。名字来自俄语，是“带磁线圈的环形腔室”的缩写。但等离子体不会静止。它会扭曲、鼓起、泄漏，像把果冻托在手里。

等离子体的涡流和突然摇摆，即湍流和不稳定性，会把热量带到器壁。1982年，德国慕尼黑附近ASDEX托卡马克的研究人员发现了一种状态它能更好地保持热量，叫高约束模式，简称H模式。但H模式也会让等离子体边缘爆发，叫边缘局域模，简称ELM。

ITER这么大的装置里，它们可能熔化部分器壁。第二种是不用磁体，以激光极快压缩微小燃料胶囊，使其飞散前燃烧。这叫惯性约束，我们稍后再回来讲。

1968年: 苏联的甜甜圈

多年来，磁约束核聚变困难重重。在美国普林斯顿，仿星器这种磁约束核聚变装置无法突破超过约100万摄氏度，也无法保热超过千分之一秒。1968年8月，世界各地核聚变科学家齐聚西伯利亚新西伯利亚开会。

苏联团队由列夫·阿齐莫维奇带领，报告称托卡马克T-3达到1000多万摄氏度。而且它把热量保持了几十毫秒。许多西方科学家不信。据ITER历史，普林斯顿实验室主任梅尔·戈特利布对阿齐莫维奇说：“不可能！”

ITER记录称，苏联成果如一声惊雷。所以在冷战期间，一队英国科学家前往莫斯科亲自测量。英国原子能管理局称，这是“几乎前所未有地冲破‘铁幕’”。英格兰卡勒姆实验室小组1969年春抵达。

他们带来约五吨设备，包括自己的激光器。他们用汤姆孙散射法：激光照进等离子体，散射方式显示电子温度。到八月初，他们已进行了约88次实验。迈克·福里斯特后来称：“我们有点害怕。”

他们测得的温度大多在一千万摄氏度左右。1969年在《自然》发表结果。苏联方面的说法经受住了检验。普林斯顿把仿星器改成托卡马克，约半年后复现苏联结果。

美、法、日、德实验室转向托卡马克。环形机器胜出，ITER也是托卡马克。有了可行的设计，乐观情绪开始增长，计划也越来越庞大。

“30年”到底从何而来

1976年7月，美国能源研究与发展管理局ERDA发布聚变发电计划。一年后，ERDA并入新成立的能源部。计划没给一个日期，而是五个。列出五条资金路线Logic One至Logic Five，并显示每条何时可通向示范反应堆。

DEMO是实验后的示范反应堆，建来证明核聚变能发电。顶端是Logic Five，“最大限度的有效投入”，即“所有合理要求立即满足”。这条路线目标1990年前后建示范电站。Logic Four“加速路线”目标1990年代初至中期建示范电站。

Logic Three“激进路线”是基准方案，目标1998年建示范反应堆。报告估算，这条路线1978年至示范反应堆启动需约155亿美元，按1978年美元计。年度总支出将从1976年约1.6亿美元，升至1990年代中期每年约10亿美元。Logic Two，“适度扩张路线”，称示范反应堆可能在二十一世纪初运行。

然后是Logic One：研究维持固定水平，“以发展基础认识”。这条路线，报告完全没给日期。报告说：“照此速度，实用核聚变电力系统可能永远建不成。”1976年计划按价格给日期，是菜单，不是预测。

国会至少在纸面上选择了更快路线。1980年10月，《磁约束聚变能源工程法》目标是建成示范电站世纪之交。迪恩后来称这是一项200亿美元、20年的努力。但斯蒂芬·迪恩2004年美国核聚变计划史写道：“该法条款从未执行。”

迪恩称计划“自1980年以来一路下滑”。1990年代中期，按当年币值，预算再从1995年3.65亿美元削至1997年2.25亿美元。迪恩图表按1978年美元显示，计划1990年代中期每年约10亿美元，实际不足五分之一。你可能见过网上1976年图表，画入实际预算并标“聚变永远不会实现”。

原图没此标注，报告只说Logic One可能永远建不成核聚变电力系统。这里是按报告原始表格重绘的版本。流行图表有一点没错：原图中，光Logic One运行预算就约每年2亿美元，1980年代末起，迪恩图表显示磁约束聚变实际总预算一直低于此线。

1976年计划日期都有账单，账单从未付清。“永远三十年”也不完全准确。2023年，日本三位研究人员收集1985至2022年45项已发表预测，并拟合趋势线。按趋势线，30年前说还要19.3年，20年前28.3年，10年前27.8年。

2022年，趋势线显示还要17.8年。所以数字在变，只是没到零。但钱只是部分原因，连资金充足的装置也得面对聚变有多难。

纪录: 从JET到NIF

欧洲旗舰托卡马克是英国卡勒姆的JET，即联合欧洲环形装置。1991年，JET首次用氘氚运行，产生1.8兆瓦聚变功率。1997年，它短暂达16兆瓦峰值；另一次较长实验释放约22兆焦耳。100万焦耳约是1千瓦微波炉运行17分钟的耗能。

2021年12月，JET一次五秒脉冲产生59兆焦耳。即便如此，聚变功率仅约为输入加热功率的三分之一。2023年最后实验，JET再创纪录：仅用0.21毫克燃料，约五秒产生69兆焦耳。2023年底，它永久关闭。

激光路线更进一步。加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置NIF用巨型激光照射微小燃料靶丸。2022年12月5日，激光向靶丸送入2.05兆焦耳，聚变释放3.15兆焦耳。实验室称之为点火：聚变能量超过激光送达靶丸的能量。

这不止一次。2025年4月，NIF以2.08兆焦耳激光获得8.6兆焦耳，增益约四倍。到2026年10月，已点火11次，4月那次仍是纪录。它也来得晚：NIF原定2012年底前点火。

这轮实验2012年9月结束时，结果仍离目标约十倍。点火晚十年，但终究实现。

点火不等于发电

那么核聚变终于产出超过自身消耗的能量？还不是。2022年宣布时，实验室主任说，激光从电网取约300兆焦耳，才产出2兆焦耳激光。这约是聚变释放3.15兆焦耳的一百倍。想成三级台阶。

第一级是科学增益：聚变输出除以送入燃料的能量。对NIF，就是到达靶丸的激光能量。超过1时，靶丸输出多于输入。NIF已过第一级，最佳增益约四倍。磁约束装置还没过：JET 1997年短暂达0.6，2021年纪录脉冲平均约三分之一。

第二级是工程增益：整座电站输出电力除以消耗的全部电力。包括激光器或磁体、泵、冷却等一切。算上激光从电网取电，3.15兆焦耳聚变能量仅约为所耗300兆焦耳的百分之一。没有聚变装置在这一级达到1。

第三级是天天向电网售电，无人做到。即便ITER也只是第一级装置。它设计用50兆瓦加热产生500兆瓦聚变功率，增益十倍。按ITER原话，它“不会把产生的加热功率转换成电力”。

用词也变了：Helion称标题曾用的“净电力”在核聚变行业内定义不清。标题说“净能量”时，要问：扣除什么？劳伦斯·利弗莫尔负责人金·布迪尔2022年也很谨慎。

被问建成电站还要多久，她说“可能几十年”，又补充：“我想不会六十年，我觉得也不会是五十年，这正是我们过去常说的。”她说，只要共同努力并投入资金，“研究底层技术几十年，就可能具备建电站的条件。”

几十年。笑话又回来了。

燃料与第一壁

即使等离子体输出超过加热输入，仍有两个问题：燃料和炉壁。常听说，核聚变燃料来自海水。氘和制造氚的原料锂都来自海水。但氚本身具有放射性，半衰期是12.3年。

任何储备12年后约少一半，不能久存。ITER估计全球氚储量只有“几十公斤”。唯一现成来源是CANDU裂变反应堆。ITER说，它将是史上最大氚消耗者，远超其他。

2008年ITER文章估计，电站每10亿瓦聚变热功率年耗约56公斤氚。一吉瓦聚变热功率电站年耗氚约等于全球储量。计划是让电站自己生产氚。聚变中子会撞击等离子体周围的锂层，即增殖包层，把锂变成氚和氦。

ITER只会测试小型包层模块。尚无人证明全尺寸电站能补足烧掉的氚。第二个问题，是炉壁。聚变中子能量太高，会逐渐损伤等离子体周围材料并使其产生放射性。

欧洲在西班牙格拉纳达建IFMIF-DONES，测试材料在这种条件下的表现。2023年已开工，预计需约十年。2025年10月，美国能源部核聚变路线图列出材料、燃料循环和包层等仍存缺口。目标2030年代中期并网，但路线图称不承诺具体资金规模。

这些不是聚变能否工作，而是电站能否运行多年。

2026年的竞赛

私人资金也涌入。行业协会统计，截至2026年7月，核聚变公司1年内创纪录筹资45亿美元。二零二五年一月，中国EAST托卡马克将温度达一亿摄氏度的高约束等离子体维持一千零六十六秒，约十八分钟。几周后，法国WEST托卡马克将较冷的等离子体维持1337秒，约22分钟。这是等离子体时长纪录，不是能量产出纪录。

中国合肥在建BEST新托卡马克。截至2026年10月，中国国家电视台称组装过半，计划2027年底完工。它的目标是在2030年前后展示氘氚聚变发电。中国科学院称其目标为“世界首次核聚变发电”。

2025年7月，中国国家核工业公司在上海成立核聚变公司，注册资本为150亿元人民币，约合21亿美元。美国智库CSIS引述估算，中国2023至2025年核聚变公共投入至少65亿美元。同期，美国能源部核聚变科学项目获约23亿美元。

这只是外部估算，中国没有公布官方总额。ITER也在推进。二零二六年十月二日，ITER九个真空室扇区中最后一个运抵现场。欧洲造五个，韩国造四个。截至2026年7月，九个扇区模块，六个进了托卡马克坑位。

但在2024年，ITER把时间表往后推了。原计划2025年首次等离子体，现2034年开始研究运行，2039年用氘氚燃料。ITER总干事称延误增支约50亿欧元，《物理世界》称总成本“数百亿欧元”。私营公司也在这场竞赛中。

在马萨诸塞州德文斯，Commonwealth Fusion Systems组装紧凑型托卡马克SPARC。目标是产生超过运行所需的聚变能量，公司称2027年实现。2025年6月，谷歌同意从这家公司第一座电站购买200兆瓦电力，名为ARC，公司预计2030年代初接入弗吉尼亚州电网。

华盛顿州Helion用另一种设计。2026年2月称其原型机达到1.5亿摄氏度等离子体温度，并产生可测量氘氚聚变。与微软合同要求第一座电站2028年底前并网运行。TAE Technologies于2025年12月同意与Trump Media全股票合并，估值超60亿美元。

截至2026年10月交易仍未完成，两公司目标年底前完成。韩国KSTAR在2024年初将离子维持1亿摄氏度48秒。当时目标是2026年达到300秒。2026年，韩国媒体称新国家核聚变计划将目标推至2030年代中期。

回到问题：日期为何不断后移？

日期为什么不断推迟

NIF原定2012年点火，2022年才实现。ITER原定2025年首次等离子体，研究运行现2034年。2018年，MIT和Commonwealth Fusion Systems目标15年内建成可运行的SPARC试验电站，如今SPARC仍在组装，准备2027年测试。

Helion网站曾称2028年发电，2026年改为“2028年开始初步运行”。其公共事务主管在2026年会议上说：“2028年绝无可能让50兆瓦全面运行。”她说满功率在2029或2030年。原因之一是这些机器都是同类首台。

ITER一个扇区模块在“关键路径上”，延误它就会延误后续一切。有些物理现象只在机器建成启动后显现。ITER总干事Pietro Barabaschi说：“核聚变应视为创新计划。”创新不按火车时刻表运行。

部分原因追溯到1976年：日期假定资金到位，资金却没来。

核聚变会在我们需要时到来吗？

那么，这个笑话公平吗？一半不公平。1976年每个日期都有价格，最慢、资金最少的路线说核聚变电力可能永远建不成。预测也不总说还要三十年。另一半公平。核聚变确实难：比太阳核心热十倍，燃料要造，炉壁要撑住。

带领T-3团队的列夫·阿齐莫维奇常被认为说，核聚变会在人类真正需要时到来。1976年需求写在纸上，资金却没跟上。2026年各国政府和科技公司投入数十亿美元。剩下燃料、材料和把聚变热变成人人买得起的电。

十年或三十年都能查，这次日期有记录。太阳靠这种缓慢聚变运行了几十亿年。地球上我们要在高十倍温度下做到，还得赶期限。