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核聚变（nuclear fusion）是两个较轻的原子核结合成一个较重的核，同时释放巨大能量的核反应形式。可控核聚变（Controlled nuclear fusion）是指在人工控制条件下，通过持续、稳定的核聚变反应释放能量的技术。其核心目标是将太阳内部的聚变原理转化为可控制的能源输出。

核聚变能具有资源丰富、清洁绿色、安全高效等特点，是人类未来理想终极能源的首要选择。核聚变对比核裂变的主要优势在于：1）资源丰富：核聚变使用的燃料在自然界中十分丰富，获得方式容易。据测算，每升海水中含有0.03 克氘，全球海水中就有超过45 万亿吨氘，每升海水中的氘经过聚变反应可以产生300 升汽油燃烧后释放出的能量。氚则可以利用聚变产生的中子与丰富的天然锂反应产生，这些燃料可供人类使用数百万年之久。2）清洁绿色：核聚变反应过程不产生污染环境的氮化化物和硫化物，不排放二氧化碳，是理想的低碳能源。3）安全高效：由于核聚变过程难以启动和维持，因此不存在失控和熔毁的风险，核聚变只能在严格的操作条件下发生，超出这个条件（例如在事故或系统故障的情况下），等离子体将自然终止，很快失去其能量，并在对反应堆造成任何持续损害之前熄灭，因此，聚变堆的安全性非常高。

聚变三乘积是衡量核聚变反应效率和性能的关键指标。实现核聚变反应，需要同时满足三个条件：足够高的温度、一定的密度和一定的能量约束时间，三者的乘积称为聚变三乘积。

根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值（5×1021m-3·s·keV），才能产生有效的聚变功率输出。

1）高温：原子核在极高温度下产生足够实现聚变反应的动能。原子核都带正电，因此两个原子核相互靠近时，会受到强大库仑斥力的阻碍。要实现原子核的聚变反应，必须让它们靠得足够近，使核力能将它们“粘合”成新的原子核。只有当两个原子核具有极大的动能时，才有望实现碰撞。根据实验资料估计，使两氘核相遇，它们的相对速度必须大于每秒1000公里。高温可以赋予物质动能，对于一团氘核整体而言，温度必须达到一亿度，才能够使它们具有足以产生碰撞的动能。而对于最容易实现的氘核与氚核间的聚变反应，温度则必须在五千万度以上。

2）燃料密度：燃料密度指等离子体中参与聚变反应的轻原子核（如氘、氚）的粒子数密度，即单位体积内的燃料原子数量。高密度可增加燃料粒子碰撞机会，从而提升聚变反应速率。根据劳森判据，聚变功率与粒子碰撞频率平方成正比。

3）约束时间：高温等离子体需要维持足够长的时间，以便充分地发生聚变反应，放出足够多的能量，使聚变反应释放的能量大于产生和加热等离子体本身所需的能量及其在这过程中损失的能量。这样，利用聚变反应放出的能量来维持所需的极高温度，毋需再从外界施入能量，聚变反应也能自持地进行下去。约束时间与密度有关，密度大，单位时间里参加反应的原子核较多，放出能量也多，因而约束的时间可以相应地短些。反之，约束时间必须长些。前者对应的约束手段为惯性约束，后者则对应磁约束。

核聚变实现方式主要包括磁约束、惯性约束、引力约束，目前国际上主流可控核聚变发电的技术路径为磁约束、惯性约束。在高温状态下，电子的动能大于原子核对它的约束能时，电子就会摆脱原子核的束缚，成为自由运动的电子；而原子核则会因为失去一个电子，变成带一个单位正电荷的“离子”，这种过程称为“电离”，这种既呈现带电性、同时宏观上正负离子数相等的物质称为“等离子体”。等离子体在高温高压下极易不稳定，高温等离子体的强热流、强粒子流与直接面对等离子体的器壁之间产生的强烈相互作用，会导致第一壁损伤，产生杂质，污染等离子体，引起等离子体能量辐射损失与等离子体约束性能降低。因此，对于聚变等离子体的有效约束是关键。现阶段技术可以实现的约束方式有2 种。（1）磁约束：目前主流方案，利用强磁场（如托卡马克装置）约束高温等离子体，避免其接触容器壁。中国“东方超环”（EAST）和“环流三号”已实现百秒级高约束模式运行。（2）惯性约束：通过激光或粒子束瞬间压缩燃料靶丸，瞬间达到超高密度，但仅能维持极短时间，如美国国家点火装置（NIF）。

聚变增益因子Q 是直接衡量聚变反应堆品质的参量，其定义为聚变反应产生的聚变能量输出值与外部能量输入值之比。当Q=1 时，输出能量与输入能量达到平衡。但由于能量输入和输出过程会有能量损耗，为了保证反应时长，需要更高Q 值（至少达到Q=5）才可能在不需要外部加热的条件下实现自我维持，达到真正的点火条件；如果再考虑到反应堆的建设和运营等成本，则Q 值至少等于10 达到经济平衡，Q 值大于30 的时候核聚变发电站有望实现商业化。

托卡马克（Tokamak）装置是目前最有前景的磁约束核聚变装置。托卡马克指的是“带有电磁线圈的环形真空室”，它的中央是一个环形真空，外面围绕着线圈。通电时其内部会产生巨大螺旋形磁场，将其中的等离子体加热到很高温度，以达到受控核聚变的目的。

托卡马克是一种利用磁约束实现可控核聚变的环形装置，ITER 是典型的托卡马克装置。其工作原理是：首先向环形真空室内充入一定气体，在微波等预电离手段的作用下，产生少量离子，然后通过感应或者微波、中性束注入等方式，激发并维持一个强大的环形等离子体电流。这个等离子体电流与外面的线圈电流一起产生一定的螺旋型磁场，将其中的等离子体约束住，并使其与外界尽可能地绝热。这样，等离子体才能被感应、中性束、离子回旋共振、电子回旋共振、低杂波等方式加热到上亿度的高温，以达到核聚变的目的。

托卡马克的核心由以下组件构成：

真空容器（Vacuum Vessel）：用于维持反应堆内部的真空环境，同时保护内部组件免受外部环境的影响。真空容器内部包含多个模块，如导流板、护墙板、第一壁结构以及屏蔽插头等，其功能主要在于：1）通过抽真空技术形成超高真空环境，防止空气分子污染等离子体并维持上亿摄氏度高温等离子体的稳定性。2）真空室与强磁场系统配合形成磁约束空间，将高温等离子体限制在真空室内，避免其与容器壁直接接触导致烧毁，同时通过磁场调整等离子体的形状和稳定性。3）作为核安全屏障，其双层结构（如不锈钢壳体）和填充的硼化冷却水可吸收聚变反应释放的高能中子，减少辐射对周围设备和人员的危害。第一壁结构（First Wall）第一壁结构位于屏蔽包层的外侧，直接承受来自等离子体的热负荷和粒子轰击。它由耐高温材料制成，如钨或碳化硅，用于保护真空容器不受高温影响。

等离子体屏蔽包层（Blanket）：位于真空容器内部，主要功能在于中子屏蔽与辐射防护。该包层通常由锂基材料制成，聚变反应释放的高能中子具有强穿透性，包层通过含锂材料与中子发生反应产生氚，同时吸收中子能量并屏蔽辐射，保护真空室和外围设备免受辐射损伤。

偏滤器（Divertor）：偏滤器是核聚变装置中用于管理高能粒子流和热负荷的核心部件，其功能涵盖热管理、杂质控制、电磁力承载等多个方面。偏滤器由穹顶板、内外靶板、抽气系统和冷却系统组成，通过形成等离子体边界并引导高能粒子流进入特定区域，有效减少等离子体与第一壁的相互作用，从而降低第一壁材料的侵蚀和杂质返流。