核聚變技術，被譽爲“人造太陽”的宏偉夢想，是人類追求清潔能源、解決能源危機和應對氣候變化的終極解決方案。它不僅能夠提供幾乎無限的能源供應，而且相較于核裂變，其産生的放射性廢物極少，環境影響小，安全性高。在全球範圍內，核聚變技術的研究和開發正如火如荼地進行，而最近韓國KSTAR反應堆的宣稱在1億攝氏度下運行，創紀錄地運行了48秒。

KSTAR反應堆，全稱爲韓國超導托卡馬克高級研究反應堆，是韓國在核聚變領域的一項國家重點項目。該項目自2008年開始運行，旨在通過實驗研究，探索實現可控核聚變的可能性，並爲未來的商業化核聚變電站奠定技術基礎。

在過去的兩年中，全球核聚變技術領域陸續取得了顯著的進展。

2022年12月，美國能源部宣布，其下屬的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科研人員成功實現了“核聚變點火”。這一“重大科學突破”不僅將爲國防及清潔能源未來發展奠定基礎，而且意味著核聚變實驗中産生的能量多于用于驅動核聚變的激光能量。美國國家點火裝置（NIF）在2023年10月成功“點火”兩次，即實現可控核聚變淨能量增益，讓核聚變反應産生的能量多于這一過程中消耗的能量。

2022年2月，歐洲聯合環狀反應堆（JET）在5秒內産生了能量輸出爲59兆焦耳的穩定等離子體。這項數值是JET在1997年類似實驗中取得的能量紀錄的兩倍之多，被譽爲聚變成爲可行和可持續的低碳能源道路上的“重要裏程碑”。

2023年4月，中國科學院合肥物質科學研究院的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）成功實現了403秒穩態長脈沖高約束模式等離子體運行，刷新了2017年托卡馬克裝置高約束模式運行101秒的紀錄。2023年8月，新一代人造太陽“中國環流器三號”首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束運行。

人類核聚變能源的研究始于20世紀初，當時科學家們開始探索恒星內部能量的來源。1920年代，亞瑟·愛丁頓提出了氫氦聚變理論，而到了1930年代，漢斯·貝特進一步發展了恒星核聚變的理論。隨後，核聚變技術的研究逐漸轉向軍事應用，特別是在曼哈頓計劃中，核聚變被用于開發氫彈。

1950年代，人類首次在核試驗中實現了核聚變，但這是不受控制的核聚變反應。隨後的幾十年中，核聚變技術的研究逐漸轉向和平利用，特別是托卡馬克裝置的發展，成爲了核聚變研究的主流途徑。1985年，蘇聯提出國際合作建設國際熱核聚變實驗堆（ITER），這一項目旨在驗證核聚變能和平利用的科學可行性和工程技術可行性。

現在，核聚變的實現主要有2條技術路線，分別是磁約束核聚變技術和慣性約束核聚變技術。中國和歐洲主要是磁約束核聚變技術，美國則是兩條技術路線並行。

磁約束核聚變技術是一種通過強磁場將高溫等離子體中的原子核約束在一起，以實現核聚變反應的科學技術。這種技術旨在模擬太陽核心的核聚變過程，以獲取巨大的能量。在磁約束核聚變中，托卡馬克裝置是最爲成熟的設計之一，它通過在環形真空室內産生閉合的螺旋磁場來約束等離子體，從而維持高溫和高壓條件，使得原子核能夠發生聚變。

磁約束核聚變技術旨在通過磁場的約束和控制，實現高溫等離子體中的受控核聚變反應。這一技術的核心在于利用強大的磁場來維持等離子體的穩定性和高溫狀態，從而促進輕元素核的融合，釋放出巨大的能量。在這一過程中，磁場的強度、穩定性、均勻性、形狀、動態控制以及對等離子體壓強和約束時間的支持都至關重要。

首先，磁場的強度是實現有效約束的前提。經過測算，要實現核聚變，至少需要20特斯拉的磁場強度。磁場強度作爲核聚變一個關鍵參數，意味著20特斯拉能夠産生相當于地球磁場數百倍的磁力。這樣的高強度磁場可以確保等離子體在高溫下不會與反應堆壁接觸，避免能量損失和材料侵蝕。

産生20特斯拉的磁場是一項技術上的挑戰，它要求使用先進的高溫超導磁體技術。高溫超導材料是産生這種強度磁場的關鍵。這些材料，如稀土鋇銅氧化物（REBCO），能夠在相對較高（高于77開爾文）的溫度下保持超導狀態，這比傳統的低溫超導材料更爲高效，因爲它們減少了冷卻的需求並允許産生更強的磁場。超導磁體的設計同樣至關重要，它們通過多層超導帶材的精密纏繞，配合特定的線圈排列和電流方向，實現強大的磁場。

産生20特斯拉磁場的另一個關鍵因素是電流密度和線圈結構的優化。通過在超導帶材中通以高密度的電流，並設計合理的線圈形狀和排列，可以實現所需的磁場強度。同時，爲了確保磁場的穩定性和均勻性，超導磁體的設計必須考慮到磁場的分布和線圈的支撐結構。這需要精確的控制系統來動態調整磁場，以應對可能的不穩定性。

盡管高溫超導材料的工作溫度相對較高，但仍然需要有效的冷卻系統來維持其超導狀態。通常使用液氦作爲冷卻劑，通過複雜的冷卻通道設計來保持超導材料在合適的溫度下工作。

在托卡馬克裝置中，環形磁場與等離子體電流産生的磁場相結合，形成了特定的磁約束形狀，維持等離子體的均勻分布，這對于等離子體的有效約束和核聚變反應的進行極爲重要。

磁場需要支持足夠的等離子體壓強，並維持足夠長的約束時間，以滿足勞森判據，實現能量的淨增益。例如，MIT的Alcator C-Mod裝置已經證明了磁場能夠支持超過2個大氣壓的等離子體壓強，這是實現可控核聚變的一個關鍵指標。

慣性約束核聚變（ICF）是一種實現核聚變的技術，它通過使用高能激光或其他粒子束快速壓縮含有聚變燃料的微小靶丸，達到極高的密度和溫度，從而觸發核聚變反應。這種方法的核心在于利用物質的慣性來維持高溫高壓狀態，使得原子核能夠發生聚變，釋放能量。

ICF的優勢在于其相對簡單的結構和易于控制的特性，不需要複雜的磁場系統來約束等離子體。此外，ICF技術在國防和安全領域也顯示出重要價值。然而，ICF面臨的挑戰包括如何均勻地壓縮靶丸、精確控制點火過程以及提高能量轉換效率等。

2024年，爲了應對極端的高溫環境，KSTAR使用了高熔點金屬鎢制造關鍵組件，如分流器和壁板。鎢的熔點高達3422攝氏度，是目前已知熔點最高的金屬，這使得KSTAR能夠在極端條件下保持結構的完整性和穩定性。

KSTAR團隊還對磁控技術進行了優化，提升了微波加熱效率，從而有效地提高了等離子體的溫度和約束時間。通過對磁場分布的精細調節，KSTAR成功地解決了高溫與反應堆材料穩定性之間的矛盾，爲未來的核聚變實驗提供了寶貴的經驗和數據。

KSTAR團隊設定了更爲雄心勃勃的目標，計劃到2026年，在1.8億華氏度（約合1億攝氏度）的條件下維持等離子體燃燒300秒。這一目標的實現將需要解決更多的科學難題，並推動關鍵技術的發展。這樣的成果不僅對KSTAR項目本身意義重大，也將對全球核聚變能源研究乃至清潔能源的未來發展産生深遠影響。