1920年，阿瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)提出，氫與氦的聚變可能是讓太陽持續(xù)燃燒的關(guān)鍵。另一位天才歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford），在實驗室里實現(xiàn)了氘與氦的聚變反應(yīng)，從而確定了核聚變反應(yīng)釋放的巨大能量。核聚變釋放出的能量，比化學反應(yīng)（例如燃燒）多一百萬倍。當前核聚變技術(shù)的主要資源是氘和鋰。鋰用于增殖另一種核聚變?nèi)剂想?。打個簡單的比方，一個普通筆記本電腦電池中鋰元素和半浴缸水中的氘元素，通過核聚變產(chǎn)生的發(fā)電量，相當于燃燒40噸煤產(chǎn)生的電量。在兩個輕核融合并釋放能量的過程中，需要跨越一個巨大的障礙-庫侖勢壘。按照庫侖定律，兩個帶電粒子在不同的尺度上相互吸引或排斥。兩個帶有正電荷的原子核在彼此接近時，會異常強烈地相互排斥。要克服這種庫侖勢壘，唯一的辦法是迫使這兩個原子核以巨大的速度相互碰撞。在原子尺度上，速度就是溫度。一次性核聚變反應(yīng)釋放的能量雖然足夠多，但仍不足以點亮城市，更不用說點亮一顆遙遠的恒星了。因此，還要關(guān)注另一個重要的量，即碰撞率或碰撞概率。如果原子核在高溫下運動通過其他原子核的“稠密海洋”，則碰撞速率相應(yīng)會較高，并且在一定的時間段內(nèi)會發(fā)生眾多反應(yīng)。總之，像太陽這樣的恒星，其核心內(nèi)部溫度約1500萬K，內(nèi)部壓力約為地球大氣壓的2650億倍，可輕而易舉地實現(xiàn)核聚變。也就是說，當溫度和粒子密度（與壓力成正比）的乘積在一定時間段內(nèi)足夠大，就可以實現(xiàn)顯著的聚變反應(yīng)速率。
兩個原子核聚變成一個亞穩(wěn)態(tài)的氦-5原子核，隨后衰變?yōu)橐粋€中子和一個氦-4原子核，每個反應(yīng)釋放17.6兆電子伏的總能量。地球上尚無法模擬太陽核心呈現(xiàn)的核聚變條件，無論是溫度還是壓力，我們都無法在足夠長的時段內(nèi)同時做到這兩者。在全球科學家的共同努力下，目前確定了實現(xiàn)核聚變的兩條技術(shù)路徑。第一條技術(shù)路徑是通過脈沖激光產(chǎn)生的沖擊波，來產(chǎn)生巨大的壓力和溫度，我們稱之為慣性約束聚變。迄今為止，慣性約束聚變路徑還遠遠沒有產(chǎn)生凈能量，因為激光系統(tǒng)的最大功率輸出約為1.8 MJ，對應(yīng)的最大功率消耗約為500TW，相比之下，獲得的聚變能量僅為15 kJ，僅占輸入能量的0.8％。顯然，我們的目標是產(chǎn)生一個顯著高于輸入能量的輸出量。此路徑的重點是溫度和持續(xù)時間。磁性約束裝置所需和所能達到的粒子溫度比太陽核心高十倍。這是因為磁約束聚變裝置通常在真空條件下操作，反應(yīng)室內(nèi)的壓力為5×10（-6次方）mbar。現(xiàn)在讓我們想象一下，一束比太陽核心還熱的粒子，與石頭、金屬、耐火陶瓷或任何其他已知物質(zhì)接觸時會發(fā)生什么？是的，這些物質(zhì)都會蒸發(fā)。因此，必須用強大的磁場約束這些極熱的粒子，使它們實際上不會碰到任何“墻壁”。
技術(shù)上最成熟的磁約束聚變概念裝置是托卡馬克（tokamak），一種環(huán)形反應(yīng)室，帶有兩組電磁線圈，用于約束熱粒子，即等離子體。這是蘇聯(lián)物理學家在1950年代發(fā)明的。環(huán)形磁場線圈把等離子體粒子的運動軌跡約束在反應(yīng)室內(nèi)部空間中，同時通過一組中央螺線管放電，通過感應(yīng)原理將電流引入等離子體中。該電流對于扭轉(zhuǎn)粒子軌跡是必不可少的，可以防止粒子緩慢漂移出受限體積內(nèi)。等離子體的加熱是通過中子束注入和射頻加熱實現(xiàn)的。目前的聚變能輸出相對于能量輸入的世界紀錄，是由歐洲聯(lián)合環(huán)形加速器（JET）在1997年獲得的，約60％。
環(huán)形磁場線圈會在反應(yīng)器內(nèi)建立一個強磁場（綠線），以捕獲磁場線上的帶電粒子。內(nèi)部極向磁場線圈用于將電流感應(yīng)到等離子體中，從而扭轉(zhuǎn)磁場線（黃色），以防止粒子向外漂移。
另一個更優(yōu)雅但技術(shù)上還不太成熟的磁聚變約束概念是仿星器架構(gòu)。在仿星器架構(gòu)中，通過用復雜的3D形狀的線圈替換簡單的環(huán)形場線圈，取消了對中央磁場線圈的需要。目前，德國格賴夫斯瓦爾德的Wendelstein 7-X設(shè)施正在研究這種仿星器架構(gòu)的可行性。仿星器在技術(shù)上還不夠成熟，因為它們本不是為氘-氚聚變反應(yīng)而設(shè)計的，它們首先需要證明磁約束這一概念是否值得進一步研究。
德國格賴夫斯瓦爾德的Wendelstein 7-X仿星器架構(gòu)如您所見，托卡馬克架構(gòu)的能量輸出與輸入的收支平衡至少是非常接近。然而，對于一個向電網(wǎng)供電的聚變發(fā)電廠來說，要實現(xiàn)經(jīng)濟上的可行性，饋入電網(wǎng)的能量應(yīng)該達到電站投入能量的幾到十幾倍。為了證明這種可行性，實驗聚變反應(yīng)堆ITER(拉丁文“道路”)目前正在法國建造。它的第一次等離子放電計劃在2025年進行，預(yù)計在10年后進入全功率階段。ITER是一座電站規(guī)模的反應(yīng)堆，其能量輸出為500mw。現(xiàn)在，你可能會問：蘇聯(lián)科學家在20世紀50年代發(fā)明了這個概念，為什么要用半個多世紀才能實現(xiàn)核聚變的凈能量增益呢?事實上，在核裂變被用于發(fā)電的同一年代，托卡馬克的概念就被發(fā)明了。讓我告訴你，毫不夸張地說，1.5億K高溫的等離子是一個高度非線性系統(tǒng)。具體而言，等離子體參數(shù)（密度，溫度）或磁場配置的任何改變都可能對其他特性（例如反應(yīng)室壁上的熱沉積曲線）產(chǎn)生人們不愿看到的影響。等離子體物理學家，材料科學家和工程師攜手合作，正在逐步解決了可控核聚變作為能源輸出所面臨的所有挑戰(zhàn)。最近的一些技術(shù)突破，比如超導體，使得磁場更強，可以更好地約束粒子。然而，強約束只是這個可控核聚變難題的一部分。核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和氦灰需要被抽取出來。之所以使用氦灰這個術(shù)語，是因為氘和氚會融合成氦核，而氦核在等離子體中沒有進一步的用途，需要被移除，以便騰出空間讓新的氘和氚發(fā)生聚變反應(yīng)。電站規(guī)模的聚變反應(yīng)堆排熱，也是其中的關(guān)鍵問題之一，給材料科學家和工程師帶來了巨大的挑戰(zhàn)。只有具有極高熔點、高導熱性和耐受高能粒子轟擊的堅固性材料才適合這種應(yīng)用。
圖3：JET內(nèi)部反應(yīng)室在運行前（左）和運行中（右）的視圖。熱等離子體在可見光譜中幾乎不發(fā)射輻射。反應(yīng)器內(nèi)壁用面向等離子體的材料（即用于JET的鈹和鎢）保護。雖然前途艱險，路漫且長，但是堅信長風破浪會有時，直掛云帆濟滄海！當可控核聚變發(fā)電的夢想最終實現(xiàn)時，核聚變將為未來幾個世紀的可持續(xù)和清潔能源經(jīng)濟做出貢獻。
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