据6月17日《日本经济新闻》报导，日英两国政府签署了一份针对核聚变发电技术研发开展合作的备忘录，将把英国核聚变反应堆维护作业所需的远程操作机器人技术与日本的制造技术相结合，以推动在2030年代实现核聚变发电的试验运转。核聚变发电是目前世界各国都极为关注的下一代能源。
核聚变也叫核融合反应，民间有时也形象地称作“人造太阳”。日本在该领域处于怎样的水准？为什么选择跟英国合作呢？带着这一系列疑问，笔者对核聚变的概况以及日本所处的位置进行了粗略的整理。
技术原理上，核聚变是通过将两个较轻的原子核结合成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的核反应形式。质量小的原子如氘与氚，在一定条件下（如超高温和高压），能让核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核能够互相碰撞到一起，发生原子核融合反应，生成新的质量更重的原子核（如氦）。在这个过程中会释放出大量电子和中子，宏观表现出来的就是巨大的能量释放。核聚变因此也被称为热核聚变。
人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。如果我们能实现可控核聚变，就可以将释放出来的能量转换为电力，造福人类。这也是核聚变可能成为未来能量来源而备受瞩目的原因。
受控核聚变在上亿摄氏度的超高温下发生核融合反应，这么高温的等离子体，任何固体容器都会瞬间被蒸发掉。因此，如何实现一个既能关住比太阳还热的等离子体的容器，让氢原子核在其中碰撞并融合，释放出巨大能量，又不被热量烧化容器壁，一直是困扰科学家的难题。
二十世纪五十年代初期，前苏联科学家提出“托卡马克（TOKAMAK）”概念，这是一种形如面包圈的环流器，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的核聚变物质约束在环形容器里，不让它碰到容器壁，以此来实现热核聚变反应。托卡马克好比是一个“磁笼”，将热核聚变材料关在了笼子里边。
日本是第一批参与热核聚变研发的国家。早在1987年春，国际原子能机构（IAEA）邀请欧共体、日本、美国和加拿大、前苏联在维也纳开会，讨论加强核聚变研究的国际合作问题，并达成了协议，四方合作设计建造国际热核实验堆。上世纪90年代初，只有三个国家拥有大型核聚变实验堆装置，即法国的Tore-Supra，俄罗斯的T-15，以及日本的JT-60U。
日本是2003年成立的国际热核实验堆（ITER）的7个国家与联盟之一，并且在超导线圈与远程维护技术方面贡献突出。“七方”核心成员在ITER理事会中各持有1票，重大决策需全体同意。其主要贡献与享有的特权与影响力如下。
| 七方成员 | 主要贡献 | 特权与影响力 |
| 欧盟 | 主机厂址（法国）+45%经费 | 拥有ITER总部，并持有主导管理权 |
| 美国 | 中央螺线管、氚工厂技术 | 可随时退出（如1999-2003年曾退出） |
| 中国 | 超导磁体、材料 | 共享全部技术数据，参与关键决策 |
| 日本 | 超导线圈、远程维护技术 | 获额外补偿（因未争取到主机厂址） |
| 俄罗斯 | 低温泵、等离子体加热装置 | 受制裁影响，但技术不可替代 |
| 韩国 | 真空室模块、诊断系统 | 通过合作提升本土技术（如KSTAR） |
| 印度 | 低温系统、屏蔽模块 | 技术输出较少，但享有同等投票权 |
既然日本是国际热核实验堆（ITER）的主要成员国，又为什么要跟英国单独合作核聚变发电呢？
原因是，国际热核实验堆（ITER）是“联合科研”，目标是验证大规模核聚变发电的可行性（Q≥10，即输出能量是输入的10倍）。ITER只是个实验装置，不连接电网，不能发电。后续用于发电的商用堆还需要等待很长的时间。ITER成员众多，有35个会员国，决策缓慢。原计划2025年运行，现在拖到2035年才能做氘氚实验。而一些大国的自主实验，已经取得了引人瞩目的突破。如美国的国家点火装置（NIF）在2022年首次实现“能量净增益”（Q≈1.5），虽然仅持续了数纳秒；中国的全超导托卡马克（EAST），在2021年实现了1.2亿℃、运行101秒的成绩，2023年突破稳态高约束模式400秒。中国聚变工程实验堆（CFETR）计划2035年建成，目标是Q>25，为未来示范堆铺路。
日本作为一个能源欠缺大国，福岛核事故之后，急需清洁能源，但是国际热核实验堆（ITER）进展缓慢，远水不解近渴，必须靠自己的力量，加速在该领域的研发。日本专注高温超导磁体和耐辐射材料，在该领域拥有很多专利。在超导磁体方面，三菱电机、东芝为ITER提供Nb₃Sn超导线圈，良品率全球最高。在耐辐照材料方面，日本原子力机构（JAEA）研发的碳化硅复合材料可承受聚变中子辐照。在精密加工方面，日本的核聚变实验堆JT-60SA的真空室焊接精度达到了毫米级。
然而，核聚变发电涉及很多领域，日本要靠一己之力拥有所有技术，显然是不现实的。譬如，传统的托卡马克，直径30米，重2.3万吨，体积大且价格昂贵。而英国的实验堆STEP，使用了球形托卡马克，形状像压扁的甜甜圈，体积小、成本低，正是日本追求的方向。英国脱欧以后，被踢出欧盟聚变计划（Euratom），只能自己搞反应堆STEP，与日本合作，是一个双赢的选择。
在核聚变发电领域，一个有趣的现象是，各国在继续参与国际热核实验堆（ITER）实验的同时，有能力的国家都在搞自己的“备胎”。在激烈的国际竞争中，谁先突破，谁就能主导全球热核聚变市场，其他国家则只能交专利费或使用二手技术。核聚变不只是科学问题，更是国运的博弈。
核聚变的过程与核裂变相反，是几个原子核聚合成一个原子核的过程。核聚变几乎不会带来放射性污染等环境问题，而且其原料可直接取自海水中的氘，来源几乎取之不尽，是理想的能源方式。日本是一个四面环海的岛国，有无穷的海水资源，热核聚变发电技术一旦成功，则可以彻底解决困扰日本经济的能源问题。
供稿 / 戴维
编辑 JST客观日本编辑部
