可控核聚变作为人类能源问题的终极解决方案，其研究历程可追溯至20世纪中叶。1951年，美国科学家首次在氢弹试验中验证了核聚变原理，但直到1958年日内瓦和平利用原子能会议上，苏联科学家提出托卡马克概念，人类才真正迈入可控核聚变研究阶段。这一阶段的研究主要集中在基础原理验证和实验装置建设上，如英国ZETA装置和苏联T-3装置的相继建成，为后续研究奠定了重要基础。

进入21世纪后，国际热核聚变实验堆（ITER）计划的启动标志着可控核聚变研究进入国际合作新阶段。ITER组织汇聚了包括中国、欧盟、美国、俄罗斯等35个国家的科研力量，总投资超200亿欧元，其核心目标是验证大规模聚变能源的可行性。与此同时，中国自主研发的EAST全超导托卡马克装置在2021年实现了1.2亿℃等离子体运行101秒的世界纪录，而美国国家点火装置（NIF）则在2022年首次实现了聚变能量增益（Q>1）的突破性进展。这些里程碑事件表明，人类在实现可控核聚变商业化的道路上已取得实质性进展。

当前，全球可控核聚变研究呈现多元化技术路线竞相发展的格局。传统托卡马克装置仍占据主导地位，但仿星器、磁镜装置等替代构型也在不断优化；激光惯性约束聚变凭借NIF的成果重新获得关注；而新兴的场反转构型（FRC）和球形托卡马克等紧凑型设计，则为未来商业化应用提供了更多可能性。这种百花齐放的研究态势，预示着人类距离掌握可控核聚变技术已不再遥远。 托卡马克装置作为当前可控核聚变研究的主流技术路线，其核心原理是通过环形磁场约束高温等离子体，实现核聚变反应。该装置由真空室、超导磁体、偏滤器等关键部件构成，其中环形超导磁体系统产生的强磁场（通常达数特斯拉）将带电的等离子体约束在特定区域内，避免其与器壁接触导致能量损失。当等离子体被加热至1亿摄氏度以上的极端温度时，氢同位素氘和氚的原子核将克服库仑斥力发生聚变反应，释放出巨大能量。这一过程遵循劳森判据三重约束条件：足够高的等离子体温度（约1.5亿℃）、足够的粒子密度（约10^20/m³）以及足够长的能量约束时间（约1秒），三者乘积需超过特定阈值才能实现能量净输出。

托卡马克装置的运行涉及复杂的物理过程。首先，中性束注入和射频波加热系统将氢燃料电离形成等离子体；其次，极向场线圈和环向场线圈协同工作，形成螺旋状磁场线约束等离子体；最后，偏滤器系统负责处理聚变产物和杂质。这种设计巧妙地解决了等离子体不稳定性难题，但同时也面临三重积约束条件难以同时满足的技术挑战。此外，超导磁体的低温维持、第一壁材料的耐辐照性能、以及氚燃料的自持循环等问题，仍是制约托卡马克装置实用化的关键瓶颈。随着ITER等国际项目的推进，科学家们正通过优化磁场构型、发展液态金属偏滤器等创新方案，逐步突破这些技术壁垒。 在托卡马克装置之外，科学家们还探索了多种替代技术路线以突破可控核聚变的技术瓶颈。磁镜装置通过两端强中间弱的磁场结构形成磁阱，约束等离子体轴向逃逸，其优势在于结构简单、维护方便，但受限于等离子体端部损失问题，目前尚未达到商业应用标准。仿星器采用扭曲的环形磁场设计，通过复杂的线圈结构自然产生三维磁场，避免了托卡马克装置中电流驱动带来的不稳定性，德国Wendelstein 7-X装置已证明其在稳态运行方面的潜力，但制造精度要求极高导致成本攀升。

激光惯性约束聚变（ICF）则采用截然不同的方法，通过高能激光束对称轰击氘氚燃料靶丸，利用惯性约束实现瞬间高温高压条件。美国国家点火装置（NIF）在2022年首次实现能量增益（Q>1），证明了该路线的可行性，但其能量转换效率低、重复频率受限等问题仍需解决。场反转构型（FRC）和球形托卡马克等紧凑型设计，通过优化磁场几何形状提高约束性能，后者如英国STEP计划中的MAST装置，有望降低未来聚变电站的建造和维护成本。这些多元技术路线各具优势，形成互补发展的格局，其中仿星器的稳态运行特性与托卡马克的高参数潜力相结合，可能为下一代聚变装置提供新的设计思路。 可控核聚变研究面临的技术挑战构成其商业化进程中的核心障碍，主要体现在等离子体约束、材料科学和能量转换三个关键领域。等离子体约束方面，尽管托卡马克装置已实现1.2亿℃的极端温度，但维持等离子体稳定性仍面临巨大困难——微湍流会导致能量损失，而边缘局域模（ELM）的周期性爆发可能损坏装置内壁。中国EAST装置通过先进控制技术将ELM事件频率降低90%，但完全抑制这些不稳定性仍需突破。材料科学领域，第一壁材料需承受14MeV中子辐照和热负荷的双重考验，传统钨材料在长期辐照下会脆化，而液态金属锂偏滤器虽能缓解损伤，却带来腐蚀和氚滞留等新问题。ITER采用钨铜复合材料的解决方案，其服役寿命仍需验证。

能量转换环节存在三重效率瓶颈：首先，聚变产生的中子需通过慢化剂转化为热能，当前锂铅包层设计的热转化效率仅约40%；其次，高温超导磁体的制冷能耗占系统总输入的20%-30%，制约净能量产出；最后，热机循环（如布雷顿循环）受限于材料耐温性，卡诺效率普遍低于50%。美国SPARC项目通过采用新型高温超导磁体将磁场强度提升至21T，有望减少30%的约束体积，但整体能量转换效率提升仍需多学科协同突破。这些技术挑战的解决需要材料科学、等离子体物理和工程设计的深度融合，目前全球科研机构正通过模拟计算、材料基因组计划和装置升级等多途径寻求突破。 可控核聚变一旦实现商业化，将彻底重塑全球能源格局，其深远影响将超越传统能源范畴。从能源安全角度看，氘-氚燃料可从海水中无限提取，1升海水蕴含的能量相当于300升汽油，使能源供应摆脱对化石燃料的依赖。据国际能源署预测，到2050年，全球聚变发电量占比若达15%，将减少40%的碳排放，同时避免因能源争夺引发的地缘冲突。经济层面，聚变电站的运营成本仅为燃煤电厂的1/3，且无燃料运输风险，MIT研究显示，商业化聚变电力的平准化成本（LCOE）可降至50美元/MWh以下，使发展中国家获得廉价清洁能源成为可能。

在气候变化应对方面，聚变能几乎不产生长寿命放射性废物，其碳足迹仅为光伏发电的1/10。若替代现有煤电产能，全球年CO₂排放可减少120亿吨，相当于当前总排放量的1/3。更深远的是，聚变技术将催生新的产业生态——从氚增殖包层材料到等离子体诊断设备，将形成数万亿美元规模的产业链。中国聚变工程实验堆（CFETR）计划已带动超导电缆、耐辐照合金等配套产业发展，预计未来30年可创造2000万个就业岗位。这种能源革命不仅解决环境问题，更将推动人类社会向星际文明迈进，为月球基地和深空探索提供终极能源解决方案。