6月9日，美国能源部（DOE）发布终版《聚变能科学与技术路线图》^[1]，旨在通过“建设-创新-增长”战略，整合联邦资源与私营部门力量，确保美国在2030年代中期实现核聚变发电商业化，并建立具有全球竞争力的聚变工业体系。路线图明确了近期（2~3年）、中期（3~5年）和远期（5~10年）里程碑，并提出聚变能科技发展的关键行动、核心领域优先事项及关键基础设施建设路径。

一、“建设-创新-增长”战略及里程碑

该路线图基于2020年《聚变能源科学咨询委员会长期规划》（FESAC LRP）提出的三大科学驱动力，即维持燃烧等离子体、面向极端条件工程、驾驭聚变能，提出了“建设-创新-增长”战略：建设，即打造关键科研基础设施，补齐当前核聚变材料与技术领域短板；创新，即推动核聚变科学与工程的变革性发展，并整合AI、惯性聚变能（IFE）等突破性方向以加速技术迭代；增长，即壮大美国核聚变生态系统，确保其在全球范围内的竞争力。

为实现到2030年代中期建成聚变能示范电站，路线图提出了公私协作推进的阶段性发展路线。

近期（2~3年）：公共部门建设中小型试验台、启动大型设施设计与研发用中子源；私营部门推进早期示范与降低风险、完成设计。

中期（3~5年）：公共部门交付中小规模能力并建设带中子源的集成平台；私营部门开展早期电站的无核与有核运行，建造首座及后续批量化聚变电站。

远期（5~10年）：公共部门交付大型集成包层-氚燃料循环设施与原型中子材料测试平台；私营部门建设早期示范电站。

二、关键行动

在“建设-创新-增长”战略下，路线图提出10项关键行动。

1、“建设”行动

行动1：交付核聚变科学与技术基础设施

（1）极端环境工程基础设施，包括：①排气、等离子体与高热负荷（HHF）基础设施，近期交付橡树岭国家实验室材料等离子体暴露实验装置（MPEX）用于等离子体-材料相互作用（PMI）测试，并推动国内高热负荷能力建设；②核效应测试基础设施，中期攻关氘-锂剥离、散裂及真聚变中子源等技术和路径，优先分析回旋加速器D加速方案以省时降本，为建设聚变原型中子源（FPNS）铺平道路，长期交付FPNS，通过聚变中子辐照生成工程材料数据库。

（2）开发聚变能基础设施：近期依托“氚-包层技术开发平台”（TBDP），利用英国“锂增殖氚创新计划”（LIBRTI）、加拿大“独特集成测试设施-2”（UNITY-2）等国际合作伙伴测试台解决低技术成熟度（TRL）的氚提取及材料兼容性问题；中期交付中小型测试台，整合中子源及通用包层系统；长期交付集成包层-燃料循环测试设施（IB-FCTF），支持工业规模化发展。

（3）维持燃烧等离子体基础设施，包括：①磁约束聚变能（MFE），近期利用紧凑型高场托卡马克“最快、最小、私营资本主导、经济、坚固、紧凑”（SPARC）装置开展世界首次可控核聚变增益实验，中长期（3~10年）实现并研究核聚变增益（Q值）达到5~10的燃烧等离子体；②惯性约束聚变能（IFE），近期推进LaserNetUS等激光网络建设，中期构建集成激光系统示范装置，如二极管泵浦固体激光器（DPSSL）原型。

行动2：构建人工智能-聚变数字融合平台

作为“创世纪计划”（Genesis Mission）在聚变能领域的核心，通过AI加速材料发现、闭合燃料循环并实现全电厂数字孪生。

2、“创新”行动

行动3：开展创新与变革性研究

重点聚焦仿星器、液态金属面向等离子体部件（PFC）、IFE、替代约束概念（如Realta磁镜、Z箍缩等）与测量技术创新。

行动4：推进具有成本竞争力的聚变电站

探索紧凑型环形概念（高场托卡马克、球形托卡马克）与非托卡马克概念（磁镜、场反位形、Z箍缩），并探索无中子燃料，以最低资本、最快时间实现聚变试点电站并网。

3、“增长”行动

行动5：支持公私合作伙伴关系（PPP）项目

继续实施现有“聚变能创新网络”（INFUSE）、“基于里程碑的聚变开发计划”，及2026年新增的“聚变桥梁”（Fusion BRIDGE）计划，联合政府、行业共担基础设施建设风险。

行动6：培育聚变能供应链

建立从特种材料（如耐火金属）到先进制造设备的供应网络。

行动7：畅通人才通道，培养聚变能人才

联合美国国家科学基金会（NSF）建立跨层级的人才培训通道，打通大学、国家实验室与私营部门。

行动8：协同先进核能研发与部署

与先进裂变反应堆研发协同，共享材料表征与腐蚀控制等技术。

行动9：为聚变能应用提供务实路径

制定符合聚变能风险特征的法规框架，如美国核管理委员会（NRC）提出的监管准则。

行动10：规划商业化路径

DOE设立聚变办公室负责协调，牵头制定聚变能源创新（FEI）实施计划，设定指导目标。

三、核心挑战领域及优先事项

路线图确立了六大技术挑战领域，确定了分阶段优先事项。

1、结构材料科学与技术

设计、开发和认证可承受聚变电站高强度中子通量、热载荷和环境应力的材料、结构和系统，研究范畴涵盖物理和机械性能研究，以及构成核心容器、支撑结构和堆内组件材料的制造与认证。优先事项包括：

（1）近期：①为铁基合金和钒基合金制定加速认证路径，目标在4年内获得完整的数据集；②启动集中化的材料数据战略，利用AI、高性能计算（HPC）和合作伙伴的裂变设施；③建立本土工业规模热处理能力，实现多吨级铁基合金和500公斤级钒基合金的生产；④交付腐蚀回路和高热负荷（HHF）实验设施，充分利用“加速腔室技术集成材料计划”（IMPACT）和包层组件测试设施（BCTF）合作“聚变创新研究引擎”（FIRE）协作平台。

（2）中期：①完成辐照及辐照后实验（PIE），明确铁基与钒基合金在承受最高约10原子位移损伤（dpa）工况下的聚变特定性能需求；②量化氦辅助脆化阈值和高温蠕变疲劳限制；③生成关键合金的综合氚滞留和渗透数据集；④利用散裂/裂变源和FIRE协作平台加速数据集成。

（3）远期：①在原型聚变中子、热和氚载荷下演示组件级性能；②利用经过验证的小样本测试方法，将聚变特定的性能要求编入基于美国机械工程师学会（ASME）标准规范；③部署预测性多尺度建模与设计工具；④认证本国厚截面热处理和增材制造技术；⑤通过聚变原型中子源、体中子源（VNS）及扩展的国内测试设施验证性能。

2、等离子体组件与等离子体-材料相互作用

聚焦能够承受极端聚变环境的材料、结构和系统的设计与测试，研究重点包括与等离子体直接相互作用材料的性能、制造及认证（含固态和液态金属壁、先进复合材料），偏滤器设计，以及对侵蚀、燃料滞留、粉尘管理至关重要的相互作用机理研究。优先事项包括：

（1）近期：①投运MPEX以提供等离子体暴露测试，并启动配套的国内HHF测试；②建立钨/铜类PFC材料在循环、瞬态及边缘局域模（ELM）类负荷下的行为数据库；③量化候选PFC材料的侵蚀-再沉积、开裂与热冲击极限；④开发物理耦合的数字工程偏滤器设计工具；⑤推进早期惯性约束聚变能液态壁建模。

（2）中期：①示范集成偏滤器在等离子体脱靶状态下的运行，同时保持等离子体约束性能；②推进液态金属系统研究，评估流动稳定性、磁流体动力学（MHD）效应与氚回收；③测试钨和铜合金模型的疲劳、蠕变和热机械耐久性；④利用AI引导的筛选机制，优选确定新兴的低侵蚀、低滞留材料。

（3）远期：①在原型聚变中子、热和等离子体通量下验证钨基及液态金属PFC；②示范组件级耐久性，包括抗再结晶能力、开裂阈值及嬗变效应；③制定关联辐照、PMI与力学数据的性能标准；④运行连续流液态壁，验证其稳定性、杂质控制与氚回收，达到电站就绪水平。

3、约束方案

涉及创建、维持和控制高性能燃烧等离子体的物理与工程学，目标是实现聚变相关的约束状态和持续的能量输出，研究内容包括湍流与输运、稳定性、耦合、堆芯-边缘集成以及破裂避免。优先事项包括：

（1）近期：①扩大对惯性聚变平台（如Omega激光装置、国家点火装置、Z装置）的使用，以验证驱动-靶耦合并缓解激光等离子体不稳定性；②在托卡马克和仿星器上以聚变示范电站相关功率通量验证偏滤器与排热概念；③开展稀土钡铜氧（REBCO）辐照实验，以界定磁体性能与标准；④加强各FIRE协作体之间的整合，并支持DIII-D国家聚变装置、国家球形环实验升级装置NSTX-U及仿星器能力建设。

（2）中期：①拓展SPARC实验以示范持续聚变增益（Q>1），并向α粒子主导的Q>5推进；②推进高重复频率IFE驱动器，研制国产单束线演示器，并建立对多拍瓦激光设施的访问；③实现仿星器构型的实时三维控制，并拓展低环径比托卡马克的约束标度律；④认证高温超导磁体电缆/线圈和防辐射诊断装置，部署数字孪生进行情景建模和预测控制。

（3）远期：①交付连接湍流、台基和快离子物理的预测性输运模型，并包含不确定性量化；②在托卡马克和仿星器中，演示具有脱靶偏滤器和稳定约束的持续高性能堆芯；③运行全负荷且高效率的稳态驱动器套件；④实现电站就绪的IFE靶系统，并建立集成SPARC、DIII-D、NSTX-U及早期示范电站经验的验证性预测工具。

4、燃料循环与氚处理

聚焦聚变燃料的闭环生产、处理和回收相关技术和工艺，包括排气与分离系统、燃料储存与库存控制、氚核算，以及开发渗透屏障和去氚化系统等支撑技术。优先事项包括：

（1）近期：①确立聚变能示范电站规模的燃料循环目标，包括氚增殖比（TBR）>1.1、子系统持续运行和杂质受限设计；②推进针对固体和水的去氚化材料与化学工艺，并与真空泵、杂质控制系统集成；③制定副产物管理框架、更新分类指南，以及全厂级氚核算与分析标准；④拓展国产氘/氢回路和无核试验台，并打通对含氚设施（UNITY-2、H3AT）的访问以做子系统验证。

（2）中期：①使氚兼容的真空泵和耐杂质系统达到试点规模的处理量；②示范具有低滞留、高氕去除和明确核算能力的同位素分离与再平衡技术；③验证富氚排气的直接内循环（DIR），实现稳定高效运行；④部署计算燃料补给模型，将实验与等离子体控制联系起来，以实现响应式燃料补给策略；⑤建立国内燃料循环测试设施（核级）。

（3）远期：①示范可支撑早期电站连续运行、氚自持的集成燃料循环；②验证氚存量与排放的实时测量、传感与核算；③认证先进同位素储存与加料系统（弹丸、靶丸），实现闭环控制与数字孪生建模；④建成集氚增殖、提取与加料于一体、可在聚变相关条件下运行的集成包层-燃料循环测试设施（IB-FCTF）。

5、包层科学与技术

开发各种包层概念（如固态、液态、熔盐包层），开展材料兼容性研究、热工水力学分析、氚输运建模，以及旨在验证性能和可维护性的集成测试。优先事项包括：

（1）近期：①建立关于热物理、腐蚀、氚和机械性能的开放、标准化数据库；②界定用于抗辐照温度、热流、流量和氚传感的最小诊断架构；③运行铅锂/氟化锂铍（PbLi/FLiBe）腐蚀实验台，并筛选确定渗透屏障涂层；④启动高场MHD测试回路，通过FIRE协作体连接材料、流动和磁体设计数据。

（2）中期：①将包层概念推向TRL 4~5级，验证MHD缓解、流道插入物/绝缘体以及歧管/通道设计；②填补活化、屏蔽和氚增殖的中子学数据空白，并整合到多尺度模型中；③示范具有实时监测和质量平衡验证的回路级氚提取；④整理增殖剂与倍增剂的功能材料数据集；⑤建成国产（核级）包层循环测试设施。

（3）远期：①交付经验证的、基于第一性原理的模型，用于预测聚变条件下的氚滞留、渗透和回收；②整合等离子体-包层-燃料循环模拟，用于具有量化不确定性的设计、性能评价和维护；③建立聚变光谱辐照测试台，生成功能材料和组件的认证数据集；④示范TRL 7级的集成包层，满足TBR > 1.1、可靠热提取、嵌入式诊断及电站级维护性要求。

6、聚变电站工程与系统集成

聚变电站系统的设计与集成，包括动力转换和全厂控制系统等辅助系统技术，以及远程维护和机器人技术，还包括电站级集成建模所需的代码、工具和平台。优先事项包括：

（1）近期：①启动贯彻可发现、可访问、可互操作、可重用（FAIR）原则的集中化、标准化数据仓库，为实验和模拟提供分级访问；②发布通用的验证与确认、不确定性量化框架，实现可互操作、可溯源的全厂建模；③将AI和HPC接入关键设施（如DIII-D、NSTX-U、MPEX），以推进实时数字孪生能力；④建立首版可靠性、可用性、可维护性与可检查性（RAMI）手册，包含指标、可用性目标和维护性设计指南。

（2）中期：①认证针对辐照材料的连接和切割方法，以实现模块化堆内组件更换；②在腐蚀性、危险环境中演示活化包层/PFC的远程处理和传感原型；③将RAMI分析拓展至主要失效模式研究和示范相关的可靠性目标；④证样机维护流程并采集可靠性数据，用于预测性维护模型。

（3）远期：①利用辐射加固的传感器认证全厂诊断和保护系统；②在稳态和高重复频率设施中示范自动化控制和远程操作；③验证闭式布雷顿/朗肯动力循环；④部署模块化数字孪生平台，耦合实时数据、模拟和预测诊断，用于认证的聚变电站设计。

 四、基础设施发展路径

路线图根据三大科学驱动力和变革性技术，设定了八大基础设施发展路径以及近期（2026~2029年）、中期（2029~2031年）、远期（2031~2035年）阶段性建设目标，旨在实现四大关键里程碑：在聚变能装置上实现科学增益Q>1；私营部门通过建造和运行多台装置验证多种聚变技术路线；实现氚增殖比（TBR）>1，验证燃料自持和燃料循环闭合；投运聚变能示范电站并向电网供电。具体发展路径包括：

1、科学驱动力1：维持燃烧等离子体

路径1：等离子体约束与性能。聚焦于实现净能量增益并降低成本所需的聚变反应维持能力。近期以现有公私设施（DIII-D、NSTX-U、SPARC、国际长脉冲装置如KSTAR、W7-X等）为基础推进约束科学、偏滤器热流管理和堆芯-边界集成研究；中期通过SPARC的更高增益运行获取燃烧等离子体数据；远期建立经验证的预测性建模与全域集成数字孪生能力。

路径2：使能技术开发与测试。聚焦于等离子体加热、加料、诊断和控制等与等离子体直接交互的关键技术研发。近期重点拓展回旋管、中性束等高效驱动器的能力，并开展高温超导（HTS）磁体辐照性能测试；中期发展抗辐照诊断和面向聚变电站的实时AI控制架构；远期实现全厂级的稳态与高重复频率自动控制。

2、科学驱动力2：针对极端环境进行工程设计

路径3：排气与等离子体/高热负荷测试。聚焦于偏滤器和第一壁等面向等离子体部件的排热与耐热能力验证。近期交付MPEX装置并建设国内HHF测试平台；中期推进液态金属偏滤器概念验证和脱靶运行下的集成测试；远期在原型聚变中子、热和等离子体通量条件下验证新一代PFC方案，并建成核级HHF测试设施。

路径4：核效应测试（含聚变原型中子与热室能力）。聚焦于材料在中子辐照下的行为表征与鉴定。近期依托多尺度建模和替代辐照（裂变反应堆、质子辐照）积累数据；中期攻关氘-锂剥离、散裂等中子源技术路径；远期建成聚变原型中子源，为聚变材料提供原型中子辐照下的性能鉴定数据。

3、科学驱动力3：利用聚变能

路径5：远程维护与电站配套系统（BOP）开发测试。聚焦于辐照环境下堆内部件的可维护性及电厂动力转换系统。近期制定可维护性设计指南和RAMI指标框架；中期开发并演示辐照环境下远程操作与更换原型系统；远期验证闭式布雷顿/朗肯动力循环与电站级数字孪生集成。

路径6：包层开发与测试。聚焦于氚增殖和能量提取一体化的包层系统。近期通过TBDP和国际伙伴设施（英国LIBRTI、热磁联合研究装置CHIMERA、日本UNITY-1、加拿大UNITY-2等）验证概念、运行腐蚀试验台；中期将包层推进至TRL 4~5并开展回路级氚提取验证；远期实现TRL 7的集成包层系统（TBR>1.1、可靠排热、嵌入诊断）。

路径7：燃料循环开发与测试。聚焦于氚的生产、回收和闭式循环。近期确立聚变能示范电站级燃料循环目标参数，建立国内氘/氢回路和含氚设施准入；中期建成国内燃料循环测试设施（核级），演示低存量同位素分离与直接内循环；远期通过IB-FCTF展示氚自持的集成燃料循环。

4、变革性技术

路径8：高性能计算、先进制造与人工智能。这些使能基础设施，由“创世纪计划”统一加速。近期建成聚变专用超算集群Stellar-AI，将AI和HPC接入关键试验设施部署数字孪生；中期开发面向全厂建模仿真的AI基础模型与代理模型；远期实现全厂级实时数字孪生、闭环预测控制与基于AI的材料发现流程。       

 （岳芳 张秋菊）