前  言

自从知道太阳的能量来自聚变，在地球上建造一个“人造太阳”，实现丰富、高效、清洁、安全的聚变能源利用就成为人类的一个伟大而美丽的梦想。从20世纪50年代到现在的70多年里，聚变能源的开发研究经历了巨大的进展，也遭受了颇多挫折，然而人类不断探索进取，争取早日实现聚变能利用的努力一直在持续， 聚变能也一直被认为是可以改变世界能源格局的突破性技术。 当下，聚变研究进入从物理到工程的关键阶段，国际合作的国际热核聚变实验堆（ITER）计划尽管一再推迟但仍在继续推进，各主要国家也纷纷制定了从实验堆到工程堆再到示范电站的发展路线图。 尤其是近年来高温超导材料和人工智能技术的发展有望快速推动聚变发展的进程，政府外的社会资本也开始纷纷支持聚变研发的开展，聚变研究进入一个发展的新机遇期。

在这样的背景下，不少学校的工程物理或核工程相关专业开始将聚变能源相关课程纳入本科必修或限选课程。作者所在的清华大学工程物理系也是如此，为满足同学们对聚变能源了解的需求，在2018年开设“聚变能源概论”课程，然后从任选到限选再到必修。在授课的过程中，作者从国内外一系列教材和参考书中学到了很多系统的知识，但同时感觉缺乏一本合适的教材用于课程教学。以往的参考书或过于简略科普而缺乏课程知识体系的系统性和科学性，或专注于等离子体物理之具体问题而缺乏对聚变的全貌性介绍。例如, Friedberg的《等离子体物理与聚变能》相对而言对聚变系统的功率平衡介绍比较完整，但其等离子体物理部分过于深入，且缺乏对聚变工程部分的介绍； McCracken等的《宇宙能源------聚变》 则过于科普； F.F. Chen的《等离子体物理导论与受控核聚变》是等离子体物理入门的经典教材，但涉及聚变的系统介绍较少； Roth的《聚变能引论》在物理和工程的安排上较为均衡，但成书较早，内容陈旧。因此，在聚变能源概论课程教学的工作中，作者逐渐萌生了编写一本教材的想法。本书就是从课程讲义出发，经过几轮试用，不断听取各方建议逐渐更新完善，从而形成现在的版本。

本书是一本概论性质的教材，希望读者能由浅入深，从能源角度系统地审视聚变研究中面临的物理、工程甚至社会问题，对这些问题形成初步但准确的了解，以期在大学二、三年级具有的大学物理知识基础下对聚变能源的概况和发展有比较全面、科学、客观的认识，对关于聚变能发展的各种信息有一定的分析和辨识能力，从而满足本方向学生以及对聚变能源感兴趣的普通读者了解聚变的一般需求。因此本书对等离子体物理部分采用了尽量简略的方式，并尽可能从图像出发解释其中的一些概念，对一些知识在直观解释的前提下直接给出结论，对聚变研究则着重于前沿趋势而非具体研究的细节。这些都是为了降低普通读者和一般学生阅读本书的难度。然而，对于有志于继续从事聚变方向研究的同学和科研工作者，则需要针对本书省略的大量物理和工程技术细节，通过更专业的书籍、文献及科学研究进行深入的学习和探索。

在本书的编写过程中，我的助教魏云逍、李自龙、黄子凯、董晨超等对文稿、公式进行了校对，对习题进行了解答，特别是魏云逍协助完成了许多插图的绘制； 在清华大学的课程教学过程中，学生们检查出了许多各种各样的错误，并提出了很多有益的意见和建议，作者在此一并致谢！

不可避免地，由于作者的视野、水平和时间所限，本书的知识、观点及整体结构都有继续改进的空间。在此恳请读者指正，俟后修改。

高喆

2024年8月于清华园