可控核聚變（英文名稱：Controlled nuclear fusion）是指在一定條件下，控制核聚變的速度和規模，以達到把核聚變產生的能量在社會生產的人類生活加以利用的目的。核聚變是一種能釋放出巨大能量的原子核反應形式，即輕原子核（例如氘[dāo]和氚[chuān]）的原子核以極大的速度發生碰撞，結合成較重原子核（例如氦），同時產生新的中子，放出巨大能量。在此過程中，物質沒有守恒，因為有一部分正在聚變的原子核的物質被轉化為光子（能量）。這一過程遵循愛因斯坦質能方程。
慣性約束和磁約束這兩種方式被認為是可控核聚變的主要方式。而現在主流的托卡馬克裝置是屬于磁約束的方式。
可控核聚變能源相比較于現有的能源，具有釋放能量大、原料來源豐富、產生的放射性廢物少且安全性更高的特點，被人類視為終極能源。而且和傳統的核能相比，核聚變更加清潔和安全，核聚變的過程不會產生放射性廢物，也不會發生失控鏈式反應。
相關歷史
1951年，阿根廷的羅納德·里希特（Ronald Richter）認真提出了用核聚變方法來得到能量。20世紀50年代，歐美各主要國家開始著手進行磁約核聚變的相關研究。一些可控聚變的概念及相應的實驗裝置如仿星器、縮裝置和磁鏡裝置等相繼被提出。但上述裝置的性能不是很理想，如在箍縮裝置上，等離子體僅能維持幾個微秒。
與此同時，也在進行受控磁約束的探索。物理學家伊戈爾·塔姆（Tamm）和安德烈·德米特里耶維奇·薩哈羅夫（Sakharov）認為，將環形等離子體中感應電流產生的極向磁場跟外部環向磁場結合起來，可以實現維持等離子體平衡的位形，并提出了實現磁約束容器的裝置托卡馬克（Tokamak）。
1954年，世界上第一個托卡馬克裝置在蘇聯原子能研究所建成，并在這個裝置上實現了聚變反應，但其產生的能量極微，放電時間僅維持了300μs，隨后研究人員對裝置進行了改進，整體性能有了很大的提高。
1958年的第二次和平利用核能國際會議，各國將研究成果解密，公布了一批理論和實驗結果，開始更密切的國際合作。
20世紀60年代后期，俄羅斯科學家在T-3Tokamak上克服等離子體的宏觀穩定性上取得顯著進展。磁約束聚變包括托卡馬克、磁鏡、仿星器、箍縮等多種研究途徑，其中托卡馬克途徑在技術上最成熟，進展也最快，逐漸顯示出其獨特優勢，成為磁約束核聚變研究的主流。
1976年，美國、倡議在IAEA的框架下由美國、歐洲、及俄羅斯共同建造ITER（International Tokamak Experimental Reactor，國際托卡馬克實驗反應堆）。這是一個巨大的科學計劃，目標是驗證工程可行性。
實現方法
為了實現可控熱核聚變并獲得能量增益，必須滿足勞森判據。核心問題是設法產生并約束一個熱絕緣的穩定的高溫等離子體，其密度要足夠的高，被約束的時間要足夠的長。等離子體的密度越大，粒子碰撞發生的核聚變反應概率就越大；高溫和等離子體維持時間越長，聚變反應就越充分。
約束高溫等離子體的方法有磁約束、慣性約束，引力約束，但引力約束在地球上是無法實現的。中的熱核聚變反應是引力約束聚變，太陽的巨大質量所產生的引力，把太陽上的高溫等離子體約束在一起，維持熱核反應的進行。爆炸屬于慣性約束聚變，在氫彈中所進行的聚變反應過程非常短暫，根本沒有對燃料等離子體采取任何約束措施，只依靠燃料本身的慣性保持避免它們過早解體。研究受控熱核聚變的實驗裝置多種多樣，但是，根據其實現約束的原理，這些裝置可以分為兩類：磁約束和慣性約束。
磁性約束
由于高溫等離子體是由高速運動的荷電粒子（離子、電子）組成，因此人們最早想到的是用高強磁場對其進行約束。磁場越強，或者粒子的電荷越大，受到的約束也越強。如果利用設計的磁場來約束高溫等離子體，使帶電粒子不能自由地向四面八方運動，而只能沿著一個螺旋形的軌道運動，這樣磁場的作用就相當于一個容器了。這就是磁約束系統的指導思想。磁約束有各種不同的形式，其中一種叫托卡馬克的系統是目前性能最好的磁約束裝置。它的主體結構是一個內部抽真空的圓環。在圓環周圍環繞著多個線圈，這樣的線圈能提供沿圓環切線方向的磁場；圓環中心也有多個電感線圈，這些線圈提供垂直于圓環所在平面的磁場，以及沿圓環切線方向的感應電場。在這樣的電磁場下，等離子體就可以被束縛在圓環中，并能為其進行歐姆加熱（有電阻的物質在通過電流時會產生熱量）。
慣性約束
慣性約束聚變是利用激光或激光產生的 X 射線作驅動源，均勻地加熱裝填核聚變燃料（氘、氚）的微型球狀靶丸外殼表面，形成高溫高壓等離子體并向外噴射，產生反沖壓力，快速地向內壓縮靶丸未加熱的部分，使核聚變主燃料層密度達到每立方厘米幾百克質量，并在核聚變燃料芯部形成高溫高密度熱斑，點燃聚變反應。燃燒從中心向外迅速地在被壓縮的主燃料層中傳播，靶丸自身的慣性約束高溫高密度燃燒需要足夠長的時間，進行充分的燃燒后，放出大量聚變能，獲得能量增益。
研究進展
中國
2023年，中國在該領域取得了顯著進展：全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）已經在多個實驗中取得了重要成果；核聚變大科學裝置「中國環流三號」面向全球開放，邀請世界各國科學家來中國集智攻關。2023年8月25日下午，新一代人造太陽「中國環流三號」取得重大科研進展，首次實現100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行，再次刷新中國磁約束核聚變裝置運行紀錄，突破了等離子體大電流高約束模式運行控制、高功率加熱系統注入耦合、先進偏濾器位形控制等關鍵技術難題，標志著中國磁約束核聚變研究向高性能聚變等離子體運行邁出重要一步，中國磁約束核聚變裝置運行水平邁入國際前列，是中國核聚變能開發進程中的重要里程碑。因此可控核聚變在12月底入選“2023年度十大科技名詞”。2025年3月，中國環流三號首次實現原子核和電子溫度均突破一億度，綜合參數大幅躍升，中國可控核聚變技術取得重大進展。最新實驗數據顯示，中國核聚變裝置首次實現原子核溫度1.17億度、電子溫度1.6億度的參數水平，標志著中國可控核聚變向工程化應用邁出重要一步。7月18日，中國可控核聚變商業企業建設的直線型場反位形聚變裝置HHMAX-901成功實現等離子體點亮，標志著中國在可控核聚變商業化探索上再次取得突破。2026年1月，EAST實驗團隊基于創新的等離子體-壁自組織理論，首次證實“托卡馬克密度自由區”的存在，為聚變堆高密度運行提供新物理依據，相關研究成果發表于《科學進展》期刊。《中華人民共和國原子能法》于2026年施行，明確將核聚變能納入國家能源戰略布局。
英國
2022年初，英國原子能研究所發布消息稱，在最近一次核聚變發電實驗中，歐洲聯合核聚變實驗裝置（JET）在5秒內產生了59兆焦耳的持續能量，打破了該裝置在1997年創造的4秒內產生約22兆焦耳這一紀錄，創造了可控核聚變能量新的世界紀錄。
美國
過去70年，美國一直嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產生的高溫高壓實現核聚變。2022年12月13日，美國能源部宣布其下屬的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）科研人員于12月5日在"國家點燃實驗設施"進行了歷史上首次可控核聚變實驗，意味著核聚變實驗中產生的能量多于用于驅動核聚變的激光能量。這一實驗為研究可控核聚變技術推動清潔能源發展提供突破性實證，為零碳經濟目標實現奠定關鍵科研基礎。
盡管單從數據上看，這次實驗產生的能量"只夠燒開10壺水"，但它的意義非常重大。根據核聚變反應的勞森準則，當核聚變的能量產出率大于能量損耗率，并且有足夠的能量被系統捕獲和利用，就可以被稱為"點火成功"。但在過去幾十年中，這一直是科學家們未能實現的夢想。NIF從2010年開始正式的點火實驗，用了10多年時間才夢想成真。
日本
2023年，日本國家聚變科學研究所和美國TAE技術公司攜手，首次在磁約束聚變等離子體中實現了氫—硼聚變實驗。
具體實例
托卡馬克裝置（TOKAMAK）
20世紀70年代后期到80年代中期，世界各國陸續建成了五個大型的托卡馬克裝置，分別是：1982-1997年：美國的TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor，已拆解）。1980年：通用核能公司的DIII-D。1985年: JT-60，茨城縣那珂市。1983年: 歐洲聯合環狀反應堆（Joint European 環面）1988-2005年：俄國莫斯科庫爾恰托夫研究所T-15。
美國的TFTR建造在普林斯頓大學等離子體物理實驗室，在1993年12月使等離子體的中心溫度達到3至4億，并且獲得了聚變功率的輸出，能量增益因子Q值達0.28。歐洲共同體的JET，在1982年建造在英國的卡拉姆實驗室，在1991年獲得聚變功率輸出，并于1997年能量增益因子Q值達到0.65。日本的JT-60U是在1989—1991年由JT-60大型托卡馬克裝置改造成的，在1996年達到4億攝氏度中心離子溫度，實現等效能量得失相當，最大功率輸出增益因子Q達到1.3。
國際熱核聚變反應堆（ITER）
國際熱核聚變實驗反應堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）是國際核聚變研究的巨型工程，是目前正在建設的世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆，位于法國南部的卡達拉舍。ITER始于1985年，里根-戈爾巴喬夫倡議蘇聯，歐盟（通過歐洲原子能共同體），美國和日本平等的參與在1988年-1998年的初步設計。后來俄羅斯取代了前蘇聯的位置，美國曾于1999年到2003年之間退出，加拿大于2003年退出，而中國和韓國則加入參與開發研究，印度在2005年12月也加入了該計劃。2006年5月24日，參加這一項目的歐盟、美國、中國、日本、韓國、俄羅斯和印度7方代表草簽了一系列相關合作協議，標志著這項計劃開始啟動。ITER的使命是展示聚變發電的可行性，并證明它可以不造成負面影響。
ITER計劃是目前全球規模最大、經費投入最多、影響最深遠的重大國際科學工程之一，它吸引了世界主要國家的頂尖科學家。ITER計劃的實施結果將影響人類能否大規模地使用聚變能，從而從根本上解決能源問題的進程。ITER計劃的托卡馬克裝置將成為世界上最大的托卡馬克裝置，其體積是目前運行的最大托卡馬克裝置的兩倍，其等離子體反應室容積也是其10倍。根據ITER計劃此前發表的公報，通過對項目進展的評估，托卡馬克裝置有望在2025年首次開機產生第一炮等離子體，這也是ITER數十年運行計劃的第一步。而氘氚聚變實驗預計于2035年開始。
據報道，2023年1月5日，國際熱核聚變實驗反應堆計劃（ITER）的總干事彼得羅·巴拉巴斯基解釋說，不得不對組成“真空室”的幾個部件和“隔熱屏”進行修復，會導致項目延誤，延誤的時間沒有確定。
超導托卡馬克（EAST）
隨著研究的深入，各國意識到需要建造新一代托卡馬克裝置來提升“聚變三重積”，中國的先進實驗超導托卡馬克實驗裝置（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）正是在這個大背景下建造成功的。EAST原名HT－7U，又被稱為全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，是中國科學院等離子體物理研究所在安徽省合肥市建設的世界第一個全超導磁體托卡馬克核聚變反應試驗性裝置，屬于中國國家“九五”重大科學工程。EAST是世界上首個非圓截面全超導托卡馬克裝置，與國際上大多數短脈沖的裝置不同的是，EAST裝置的研究方向主要是高參數長脈沖等離子體運行，探究高性能等離子體、先進穩態運行模式等高溫等離子體穩定運行中的一些關鍵物理問題和工程技術問題。目前，EAST具備與ITER最為相近的工程技術條件，包括超導穩態磁場和高功率長時間加熱能力，可以承受高熱負荷沖擊的鎢銅偏濾器系統，以及靈活的等離子體控制能力，可以開展低動量、電子加熱為主的長脈沖等離子體物理實驗。EAST融入了幾十年來的聚變研究成果，比如DIII-D的D型截面展示的良好約束效果，T15所提出的超導電感線圈優勢等等。自2006年建成第一次放電以來，EAST取得了一系列里程碑式的成果：
EAST承擔了ITER采購包中國計劃的70%的任務，并且負責ITER PF6和ITER TAC1總裝項目。EAST在穩態長脈沖等離子體運行方面處于國際領先地位，為ITER及未來聚變堆發展提供了強有力的工程技術和科學理論支持。
激光慣性約束聚變
激光慣性約束聚變就是美國國家點火裝置采用的方案。科學家使用192束激光將2.05MJ能量注入內壁為金涂層的圓柱體黑腔，轉化為強烈的X射線均勻照射到中心裝填有氘氚聚變燃料的球形靶丸，在靶丸表面形成高溫高壓等離子體，利用反沖擊力，驅動燃料向心聚爆，壓縮和加熱聚變燃料等離子體至高溫度高密度狀態，達到聚變點火條件，在10億分之一秒的時間內，釋放了3.15MJ的聚變能量。這首次展示了慣性約束核聚變的最基本科學原理，實現了聚變能量大于輸入能量超過54%的凈能量收益，標志著人類在實現可控核聚變這一“終極能源”的道路上邁出了至關重要的一步，是實現清潔能源的里程碑。
早在20世紀50年代后期，慣性約束聚變的構想就被提出，即利用微型炸藥或強X-ray輻射驅動激波來壓縮加熱很小質量的氘氚燃料（毫克以下），使其達到高溫高密的狀態，實現非裂變的聚變點火，隨后利用聚變放能加熱水，產生的蒸汽為傳統發電機提供動力，從而實現應用層面的發電。
20世紀60年代早期，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家納科爾斯（Nuckolls）及其合作者用計算機數值模擬了1毫克氘氚燃料的內爆點火：通過輸入5兆焦的能量可以實現50兆焦的聚變放能，達到10倍的增益。隨后經過對能量注入以及靶丸的優化，高增益聚變點火的驅動能量能被降低到1兆焦，而實現聚變點火只需要1千焦的驅動能量。
20世紀70年代末期，隨著激光技術的迅速發展，高功率激光作為驅動源讓可控慣性約束聚變從理論走向了實際。總輸出能量達到10千焦的Shiva激光器被首先建立起來，用于在較小驅動能量下進行聚變原理驗證，但由于Shiva激光器采用的是紅外激光（波長1053納米），激光注入能量后，激光等離子體參量不穩定性顯著，產生大量的超熱電子預熱了氘氚靶丸，降低了對稱性與靶丸壓縮，遠遠沒有達到聚變點火的條件。1984年，采用3倍頻、波長為351納米的Nova激光器建造投入使用，激光能量達到40千焦—45千焦，聚變實驗如火如荼地進行，但由于不同激光束之間能量存在巨大差異導致嚴重的成絲和驅動不對稱性，最終還是走向失敗。
由此，美國國家點火裝置（NIF）應運而生。NIF是世界上最大的激光驅動慣性約束聚變裝置，于1997年開始建造，2009年正式建成投入使用，耗資約35億美元，有三個足球場的大小，可以將2兆焦的能量通過192路激光束聚焦到2毫米的空間范圍內，從而將燃料壓縮到太陽內核以及核爆炸的溫度和壓力，實現聚變點火。盡管從驅動能量層面來看，NIF已經完全達到聚變點火的要求，但是從2010年10月首次進行集成點火實驗，到2022年12月真正實現可控聚變點火，也經歷了12年，面臨大量質疑與批評。
中國環流三號
“中國環流三號”是中國自主設計研制的可控核聚變大科學裝置，它也被稱為新一代“人造”。“中國環流三號”團隊突破了等離子體大電流高約束模式運行控制等一系列關鍵技術難題，首次實現了100萬安培等離子體電流下的高約束模式運行。磁約束核聚變中的高約束模式是一種先進的運行模式，比普通的運行模式更具經濟性，因此被選為正在建造的國際熱核聚變實驗堆的標準運行模式。
應用
可控核聚變技術實現商業化后，最直接的就是對人們社會生活的影響。隨著技術的發展，電的價格會越來越低廉。核聚變發電站會大量建起，足以滿足人類社會生產生活的用電需求，工業也會因此加速發展。有了更加清潔的能源，化石燃料會被替代，環境將會大大改善。
可控核聚變作為一種新能源，在國防和軍事領域同樣具有無限的應用前景。提升武器裝備動力性能。還最有可能成為人類星際航行的“第一推力”。劉慈欣在《三體》中暢想，人類在22世紀終于實現了可控核聚變，并將其應用在太空飛船上。人類因此達到了光速的15%，從而有機會離開太陽系統。
還有科學家提出了核聚變動力火箭的概念。以化學能為動力的火箭發動機，其推力、速度、航程都不能滿足星際航行的需要。如果以目前的火箭速度計算，飛往已知距離最近的處于宜居帶內的太陽系外行星，需要6萬年時間。未來如果將可控核聚變技術應用于航天領域，把小型聚變反應堆應用到火箭發動機上，為其提供持久、高效、清潔的能源，那么，航天器速度和持續飛行能力可得到極大提升。探索外層空間奧秘、實現星際航行不再存在能源問題，人類開啟星際探索之旅的夢想或將變為現實。
優點
原料來源豐富
可控核聚變的第一個優點是原料來源豐富。核聚變的原料是氘和氚，據測算，一升海水中含氘的量是30mg，通過核聚變反應，產生的能量相當于300升汽油產生的能量。也就是說，經過提煉一升海水中的氘經過核聚變釋放的能量，相當于燃燒300升汽油釋放的能量。據估計，地球上僅在海水中就有45萬億噸氘，如果全部通過核聚變轉化為能源，按目前世界能源的消耗量，可以滿足人類未來幾百億年的能源需求。
產物安全、清潔
可控核聚變的第二個優點是，核聚變反應的過程和產物都不會對環境產生污染，也不會造成核泄漏的危害。核聚變的過程中，由于核聚變需要極高溫度，一旦某一環節出現問題，燃料溫度下降，聚變反應就會自動中止，不會發生核泄漏的問題，也不會出現類似核裂變的“熔毀風險”或爆炸隱患。而且，核聚變反應產生的物質是惰性氣體氦，沒有放射性物質，也不會污染環境，同時也不會產生溫室氣體。
參考資料 >
創新文化.中國科學院等離子體物理研究所.2023-06-21
可控核聚變又有新突破.今日頭條.2023-06-18
在地球上“種太陽”:一文讀懂核聚變和ITER的前世今生.央視網.2023-12-10
磁約束方式實現氫硼聚變，有望催生更清潔的反應堆.中國科技網.2023-06-18
可控核聚變，想象和現實的距離有多遠？.今日頭條.2023-06-24
人類試圖教AI如何造小太陽，結果是??.中國科學院物理研究所.2023-11-25
新一代人造太陽實現“雙億度”！中國可控核聚變技術再突破.界面新聞-百家號.2025-03-28
中核集團:重大突破!我國掌握可控核聚變高約束先進控制技術.澎湃新聞.2025-05-20
新一代人造太陽“中國環流三號”取得重大科研進展.新華網.2023-12-03
重大突破！我國掌握可控核聚變高約束先進控制技術.今日頭條.2023-08-26
2023年度十大科技名詞揭曉.中國社會科學網.2025-10-12
可控核聚變商業化探索，我國再次取得突破.今日頭條.2025-07-19
科技大講堂丨可控核聚變：“無限的能源”夢想.中國軍網.2023-12-03
十年內，可控核聚變將在中國“點燈”.新民周刊.2023-12-03
技經觀察 | 核聚變進展：歐美日各有所長，中國后發優勢明顯.今日頭條.2023-06-25
國際熱核聚變實驗堆（ITER）組織正式成立.煙臺市科學技術局.2025-04-12
國際熱核聚變實驗堆計劃延期.今日頭條.2023-06-19
中國實際應用“人造太陽”不是夢！專訪中科院合肥研究院等離子體物理研究所副所長.今日頭條.2023-06-25
喬賓:可控核聚變能源:人類離終極能源還有多遠?.北京大學新聞網.2023-11-25
可控核聚變，能否成真?.許昌市人民政府.2023-11-25