nnica核聚变研究的历史
核聚变研究的历史，始于太阳为什么能持续发光这样一个朴素的疑问。寻找答案的旅程，逐渐延伸到量子力学的诞生、冷战下的机密研究，以及跨越国界的国际合作。本页将按照时代顺序，以通俗的方式追溯超过百年的核聚变研究历程。了解历史之后，就能清楚地看到我们如今究竟走到了哪一步。核聚变本身的原理，在 什么是核聚变 中有所说明。
揭开太阳之谜（高中水平）
Section titled “揭开太阳之谜（高中水平）”19 世纪末，科学家们心中怀着一个巨大的谜团。太阳持续输出着极其庞大的热量与光芒，而且已经持续了几十亿年。如果太阳只是像煤炭那样燃烧，按计算几千年就会烧尽。太阳的能量来源，在当时的科学中无法得到解释。
为这个谜团带来曙光的，是英国天文学家爱丁顿（Arthur Eddington）。1920 年，他提出在太阳中心氢正在转变为氦，而这个过程中产生的能量使太阳发光。当 4 个氢原子核聚合成 1 个氦原子核时，质量会减轻一点点。这个消失的质量，按照爱因斯坦的 转化为庞大的能量——这就是他的设想。这正是核聚变，我们正是靠着太阳这座巨大的核聚变炉才得以生存。
从这里，诞生了能不能在地面上做到与太阳相同的事情这一梦想。如果能从氢中取出能量，那么燃料几乎取之不尽——它大量存在于海水之中。想要实现这个梦想的挑战，正是接下来要讲述的核聚变研究的历史。
从理论到实验（本科水平）
Section titled “从理论到实验（本科水平）”爱丁顿的提议面临着一堵巨大的理论之墙。原子核都带正电，因此想让它们靠近时会强烈地相互排斥。这种排斥被称为电学上的势垒（库仑势垒（Coulomb barrier））。太阳中心约为 1500 万度的高温，但即便如此，用经典物理来越过库仑势垒仍然不够。爱丁顿的学说一度陷入了僵局。
打开突破口的是量子力学。1928 年，伽莫夫（George Gamow）发现了量子隧穿效应（quantum tunneling）。这是一种粒子以概率的方式穿过经典意义上本无法越过的势垒的现象。多亏了隧穿效应，才得以解释即便在太阳中心这样的温度下，原子核也会偶尔穿透势垒，从而发生核聚变。
理论完备之后，实验也随之而来。1932 年，考克饶夫（John Cockcroft）与瓦耳顿（Ernest Walton）用加速后的质子轰击锂，首次成功地人工实现了原子核的转变。到了 1939 年，贝特（Hans Bethe）系统地阐明了恒星内部核聚变反应的路径。他揭示了主要在轻质量恒星中起作用的质子-质子链式反应（pp chain），以及主要在重质量恒星中起作用的 CNO 循环（CNO cycle）。凭借这一成就，贝特于 1967 年获得了诺贝尔物理学奖。至此，太阳发光的机制作为理论得以完成。
机密研究与日内瓦会议（本科至研究生水平）
Section titled “机密研究与日内瓦会议（本科至研究生水平）”第二次世界大战后的 20 世纪 50 年代初，美国、苏联、英国各自独立地开始了受控核聚变的研究。当时核聚变被视为与军事技术相近，因此研究大多被列为机密。各国在互不知晓彼此成果的情况下，走着各自不同的道路。
在这一时期，后来成为主流的两种装置的原型诞生了。在苏联，萨哈罗夫（Andrei Sakharov）与塔姆（Igor Tamm）构想出了用甜甜圈形磁场约束等离子体的托卡马克（tokamak）。在美国，斯必泽（Lyman Spitzer）发明了将磁力线扭转以进行约束的仿星器（stellarator）。两者都是磁约束方式，试图借助磁场的力量把高温等离子体与容器壁隔开并加以保持。另一方面，1952 年的常春藤麦克（Ivy Mike）实验中，不受控的核聚变——也就是氢弹——首次取得成功。取出能量的难点，并不在于爆炸，而在于让它平稳地持续下去。
转折出现在 1958 年。在日内瓦召开的第 2 届和平利用原子能国际会议上，各国公开了核聚变研究的成果。机密的面纱被揭开，研究者们第一次得以相互比较彼此的数据。从这里开始，核聚变研究迈入了国际开放合作的时代。
托卡马克的冲击与大型装置的时代（研究生水平）
Section titled “托卡马克的冲击与大型装置的时代（研究生水平）”20 世纪 60 年代，人们尝试了许多装置，但等离子体的温度和约束时间迟迟无法提高。等离子体不稳定，很快就会紊乱并把热量散失掉。研究者之间弥漫着一种停滞的气氛。
一举改变这种氛围的，是苏联的托卡马克 T-3。1968 年，在新西伯利亚召开的国际会议上，苏联团队报告说 T-3 达到了约 1000 万度这一在当时堪称数量级领先的电子温度。由于结果实在太好，西方的研究者起初并不相信。于是英国卡拉姆研究所的团队带来了基于激光散射的测量装置，进行了独立验证。结果证实了苏联的报告。通过这次验证，托卡马克的优势在国际上得到认可，全世界的研究都大幅转向了托卡马克。
此后，各国开始着手建造大型托卡马克。20 世纪 80 年代，美国的 TFTR、欧洲的 JET（Joint European Torus）、日本的 JT-60 相互竞逐性能。在约束性能方面，1982 年在德国的 ASDEX 上发现了高约束模式（H 模式（H-mode）），这具有决定性意义。这是一种在超过某一加热条件后，等离子体周边会形成输运势垒，约束性能阶梯式跃升的现象，如今已成为托卡马克设计的基础。
在实际的核聚变输出方面，成果也在不断积累。1994 年，美国的 TFTR 在以氘和氚为燃料的 D-T 实验中创下了核聚变输出的记录，1997 年 JET 实现了 16.1 MW 的核聚变输出。JET 的这一记录长期保持着实验室核聚变输出的最高值。日本的 JT-60 虽然没有使用 D-T 燃料，但通过氘等离子体的实验，展示出若换算为 D-T 时能量增益率（Q 值（fusion gain））超过 1 的等效性能，为等离子体的高性能化作出了重大贡献。JT-60 的经验被继承到后续机型 JT-60SA 以及 ITER 的设计之中。
从国际合作到点火，再到民间（博士水平）
Section titled “从国际合作到点火，再到民间（博士水平）”大型装置的成功，也让下一个课题浮出水面。那就是：能够作为能源成立的规模的装置会变得极其庞大，庞大到无论费用还是技术，单靠一个国家都无法独自承担。在这里，国际合作这一构想开始变得切实可行。以 1985 年戈尔巴乔夫与里根的首脑会谈为契机，各国齐心协力共建一座实验堆的 ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）构想启动了。经过漫长的谈判，ITER 组织于 2007 年正式成立，成为由日本、欧洲、美国、俄罗斯、中国、韩国、印度七方参与的、人类历史上最大规模的国际科学项目之一。ITER 以实现核聚变输出 500 MW、产出超过所投入加热电力 10 倍能量的 为目标。计划的详情在 ITER 项目 中有所说明。
与磁约束不同的另一条道路也在推进。那就是用强大的激光在一瞬间压缩并加热小型燃料靶丸的惯性约束方式。2022 年 12 月，美国的国家点火装置 NIF（National Ignition Facility）成功地在投入 2.05 MJ 激光能量的情况下，获得了 3.15 MJ 的核聚变能量。这是人类首次在实验室中证实点火（ignition）——即核聚变产生的能量超过注入燃料的能量——的历史性时刻。NIF 的详细机制在 NIF（国家点火装置） 中有所介绍。
而在 2010 年代后期，核聚变的历史中加入了新的登场人物，那就是民间企业。以采用高温超导（high-temperature superconductor）的强力磁体等要素技术的进步为背景，此前一直属于国家事业的核聚变开始有民间资本涌入。美国的 Commonwealth Fusion Systems、TAE Technologies、Helion Energy 等公司，各自以独特的方式致力于实现聚变堆。在日本，也有像京都聚变工程（Kyoto Fusioneering）这样的企业在全球范围内开展业务。这股民间入局的潮流，在 民间核聚变创业公司 中有详细介绍。始于太阳之谜的百年历程，如今已步入着眼于实用化的全新阶段。