都說核聚變是人類追求的終極能源，原因很簡單，因?yàn)樗娜剂蟻碓淳褪俏覀兂Ｒ姷臍?，而它產(chǎn)生的能量卻是核裂變方式是的十幾倍以上，并且沒有核廢料，少輻射甚至沒有輻射！太陽則是現(xiàn)實(shí)世界中距離我們最近且無時不刻在發(fā)生核聚變的恒星，夜空中除了幾顆行星外，每一顆都和太陽一樣！有那么多優(yōu)點(diǎn)，而且還司空見慣，為什么我們還一直實(shí)現(xiàn)不了呢？

核聚變到底用的啥原料，真是氫嗎？

核聚變這個詞從上世紀(jì)中葉開始流行，到現(xiàn)在已經(jīng)爛大街了，可能連菜場大媽也能跟你聊聊核聚變，因?yàn)闀r不時都會在新聞里出現(xiàn)，但真正了解核聚變的朋友可能并不多，咱先從核聚變的燃料開始聊聊，所謂“巧婦難為無米之”炊嘛！

新聞中的核聚變都不會說的很清楚，只會說明我們正在努力突破的核聚變和太陽一樣，用的都是氫，取之不盡用之不竭！那么氫真的是核聚變的燃料嗎？其實(shí)這話只對了一半，因?yàn)樘栒娴氖菤渥鳛槿剂系模覀冋谂υ趯?shí)現(xiàn)的卻不全是！

氫有三種同位素，分別是：

氕：一個質(zhì)子+一個電子

氘：一個質(zhì)子+一個中子+一個電子

氚：一個質(zhì)子+兩個中子+一個電子

氫是宇宙中最豐富的元素，但氫的同位素中氕是最豐富的，占了99.98%，氘的含量非常少，在自然界中含量約為0.02%，而氚因?yàn)榇嬖谝粋€12.33年的半衰期，所以在自然界中是難以長期存在的。

對于太陽來說，氘很容易達(dá)到聚變條件，但氘的含量很少，而且在太陽的褐矮星階段（大于13MJ（木星質(zhì)量））就已經(jīng)達(dá)到聚變條件燒掉了，所以到了太陽的主序星時代，正在燃燒的都是從氕開始！那么氕到底有多難呢。

因?yàn)橘|(zhì)子與質(zhì)子之間的庫倫勢壘非常難以突破，只有在極高的溫度下，質(zhì)子的平均動能突破庫倫斥力時候才能進(jìn)入質(zhì)子鏈反應(yīng)！根據(jù)早先計(jì)算的理論值太陽核心的溫度并不以讓質(zhì)子突破，庫倫斥力，但在量子力學(xué)發(fā)展后發(fā)現(xiàn)質(zhì)子可以通過波函數(shù)隧道、在比理論溫度低的條件下達(dá)到聚變反應(yīng)。

1H + 1H → 2H + e+ + νe

質(zhì)子反應(yīng)鏈的第一步是兩個質(zhì)子聚變成氘原子核，其中一質(zhì)子釋放出一個正電子和一個中微子轉(zhuǎn)換為中子！這個過程非常慢，因?yàn)檫@是一個吸收能量的β正電子衰變過程，理論上這個過程需要10^9年才能聚變成氘！

當(dāng)然全球頂尖科學(xué)家正在搗鼓的ITER不可能等上一億年，因此我們必須走是另一條路子！氘和氚的聚變反應(yīng)。

實(shí)現(xiàn)核聚變有多難？需要什么條件？

前文我們說了氘在自然界中少量存在，而氚在自然界中并不存在，一般都是在反應(yīng)堆中用中子轟擊鋰-6取得！

2H + 3H → 4He+1n，兩者反應(yīng)將會有一個中子多余

在所有原子核的結(jié)合能中，氘氚是最低的，但仍然需要10^8K以上或者輔以超高壓，比如太陽內(nèi)核的條件，可以降低高溫條件。所以到現(xiàn)在為止人類的氫彈裝藥都是氘和氚（一般都是氘和氚化鋰，因?yàn)殡盎嚪€(wěn)定），但即使如此，氫彈中的氘和氚聚變的條件也是原子彈爆炸實(shí)現(xiàn)的，這個極端溫度在太陽的內(nèi)核很容易達(dá)到，但人類就傻眼了，怎么來達(dá)到這個極端的溫度？既要保證極致的高溫，還要持續(xù)足夠的時間，因?yàn)橹挥斜３肿銐虻臅r間才能讓原子核有更多的機(jī)會參與聚變，似乎我們根本就找不到這樣的容器。

當(dāng)前有哪幾種方式來實(shí)現(xiàn)核聚變？

根據(jù)核聚變的極端條件，科學(xué)家挖空腦袋搞出了幾種理論上能夠?qū)崿F(xiàn)核聚變的方式，分別是磁約束與慣性核聚變，我們一個個來介紹其原理！

一、磁約束核聚變

顧名思義磁約束核聚變就是一個用強(qiáng)大的磁場來約束核聚變的裝置，但它有幾個必須跨越實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，因?yàn)檫@是實(shí)現(xiàn)磁約束的基礎(chǔ)。

1、千萬度的高溫如何控制？

前文提到了核聚變所需要的有幾個關(guān)鍵，首先是數(shù)千萬度的高溫，然后是足夠長的時間，再是找到這樣一個容器，當(dāng)然沒有任何一種容器可以扛住千萬度的高溫，因?yàn)槿祟惸芄氛业降淖钅透邷氐牟牧鲜俏逄蓟你g鉿（Ta4HfC5），它的熔點(diǎn)為4215 ℃，但這距離千萬度高溫的零頭都沒有，難道就沒有辦法了嗎？當(dāng)然有！

物質(zhì)在極高溫的狀態(tài)下，電子會游離成為自由電子，而原子核則成為離子，而這就是所謂的等離子體！離子帶正電荷，它的運(yùn)動受到磁場控制，因此在理論上只要建立一個強(qiáng)大的磁場即可控制等離子體不會亂跑。

2、極致的高溫如何產(chǎn)生？

磁約束需要的等離子流高溫加熱方式有兩個階段，一個是注入階段，一個是磁約束核聚變階段，當(dāng)然前者并不難，而后者需要將受到約束的等離子體溫度加熱至數(shù)千萬甚至上億度，方法有如下幾種：

• 歐姆加熱：利用產(chǎn)生磁場的變換電流在其內(nèi)對流通的等離子體加熱，利用的是電阻加熱原理，但隨著等離子體溫度升高、電阻下降后加熱效果迅速下降。

• 中性粒子注入加熱：將加速到很高能量的離子束中和成中性粒子束，在注入受約束的等離子體中，高能中性粒子與等離子體成為高能離子，再經(jīng)庫倫碰撞將能量傳遞給電子和離子，達(dá)到加熱目的。

• 波加熱：使用輸入適當(dāng)頻率的電磁波，通過等離子體內(nèi)的離子回旋共振、電子回旋共振以及混合共振等方式達(dá)到加熱等離子體的目的。

3、如何阻擋中子？

氘氚聚變會產(chǎn)生一個多余的、能量高達(dá)14MeV的中子，而且中子不帶電，無法被磁場控制，因此它會四處亂飛，而且中子有幾個特別令人討厭的毛病，第一它的穿透力很強(qiáng)，第二它會引起材料的缺陷，導(dǎo)致脆化與蠕變等，材料的壽命變短，最終無法使用。

中國向ITER交付的第一壁（First Wall）

在磁約束核聚變裝置中，阻擋中子以及以及等離子體、防止高能氫離子飛濺以及未來作為熱交換的結(jié)構(gòu)稱為第一壁，在核聚變堆材料選型中，這個第一壁的要求極高。

當(dāng)然一個磁約束核聚變堆遠(yuǎn)不止以上幾個難題，比如一個產(chǎn)生磁場的超導(dǎo)磁環(huán)設(shè)計(jì)的要求非常高，另外還有等離子體能達(dá)到的極限溫度、密度以及等離子體的約束時間等！

二、磁約束核聚變裝置有哪幾種？

根據(jù)結(jié)構(gòu)上來分有托卡馬克和仿星器兩大類，當(dāng)然兩者各有有很多細(xì)分，我們就不一一介紹了，兩者都是通過磁場來約束等離子體，但兩者又有區(qū)別。

托卡馬克裝置

托卡馬克：磁環(huán)比較規(guī)整，但環(huán)形螺旋磁籠產(chǎn)生需要等離子體電流

仿星器：直接通過外部極度扭曲的線圈產(chǎn)生扭曲的環(huán)形磁籠

托卡馬克裝置最早是前蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等上世紀(jì)50年代發(fā)明的。盡管到現(xiàn)在有了很大的改變，但結(jié)構(gòu)原理上差異并不大，先來看看托卡馬克的超級大變壓器（托卡馬克真的是個大變壓器）

原理挺簡單的，黑色初級線圈為電源輸入端，環(huán)形等離子體則為次級感應(yīng)“淡藍(lán)色線圈”（等離子體導(dǎo)電，貢獻(xiàn)極向磁場），而通了電的“線圈”會受到深藍(lán)色磁環(huán)的控制（貢獻(xiàn)縱向磁場，請參考通電線圈在磁場中運(yùn)動），從理論上來看這是一個完美的結(jié)構(gòu)是吧，但事實(shí)上在托卡馬克裝置中的等離子體電流高達(dá)千萬安培，扭曲模、磁島以及磁面撕裂等問題非常嚴(yán)重，如果失控最好的結(jié)果是熄火，最壞甚至可能爆炸，因?yàn)樯锨f安培帶來的能量會耗散在這個封閉空間內(nèi)。

可以看到內(nèi)部規(guī)則的腔體結(jié)構(gòu)，中間那個大柱子就是“鐵芯”，而超導(dǎo)磁環(huán)線圈都躲在半圓形腔體的外部，受到第一壁的嚴(yán)密保護(hù)。

仿星器的概念是普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)家萊曼·斯皮策(Lyman Spitzer)在1951年提出的。仿星器的特征是極度扭曲的磁環(huán)線圈控制，它不需要內(nèi)部等離子體電流，通過內(nèi)部扭曲閉合的磁籠轉(zhuǎn)而將控制等離子體的技術(shù)難題轉(zhuǎn)移給外部三維磁場，給設(shè)計(jì)和建造以及安裝帶來了極高的難度。

仿星器的外觀設(shè)計(jì)，就像一條首尾連接的蛇，有一種工業(yè)設(shè)計(jì)美感！上圖中50個藍(lán)色扭曲環(huán)的是不規(guī)則超導(dǎo)線圈，20個黃色扭曲環(huán)則是普通環(huán)形線圈。

看起來是不是仿星器秒殺了托卡馬克？其實(shí)這就錯了，盡管托卡馬克因?yàn)槭莻€伏秒數(shù)有限的大脈沖變壓器，不能持續(xù)提供驅(qū)動電流，導(dǎo)致放電時間無法持久（最多就分鐘級別），但仿星器存在一個致命的缺點(diǎn)，其不規(guī)則的磁場容易產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度周期性振蕩，這會導(dǎo)致它的約束性能下降，仿星器在等離子體的密度與溫度上比托卡馬克差了可不止一星半點(diǎn)。所以仿星器在并沒有成為主流，只有德國在這方面走得比較遠(yuǎn)！

三、慣性約束核聚變

慣性約束核聚變的原理則更簡單，用激光轟擊靶材，產(chǎn)生的等離子體的慣性使其壓強(qiáng)維持足夠長的時間，使得靶丸在這個周期內(nèi)產(chǎn)生大量的聚變反應(yīng)，所以叫做慣性約束核聚變。1972年,勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家約翰·納科爾斯首先提出 用高功率激光壓縮微型靶丸，從而達(dá)到熱核材料點(diǎn)火條件的方案，這就是慣性約束核聚變最早的由來，在慣性約束核聚變中有兩個關(guān)鍵：

1、激光器的數(shù)量以及功率

2、靶丸的驅(qū)動方式

前者當(dāng)然最關(guān)鍵了，因?yàn)榧す馐腔鸩?，這個火柴不夠猛，那就啥都不用考慮了！早先的激光器體積龐大而且功率不夠，僅有理論而無用武之地，但隨著高功率固體激光的誕生，慣性約束核聚變逐漸從理論走向?qū)嶒?yàn)。

而另一個問題則是靶丸的設(shè)計(jì)，這關(guān)系到慣性約束核聚變的點(diǎn)火方式，在慣性約束核聚變中點(diǎn)火的發(fā)生條件的勞森判據(jù)是靶丸的質(zhì)量密度ρ與半徑R的乘積ρR，在這個條件中增加等離子體密度或者增加靶丸直徑都將提高成功率，因此靶丸的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。上圖中是兩種靶丸的設(shè)計(jì)，左側(cè)是間接驅(qū)動，右側(cè)是直接驅(qū)動，NIF（美國國家點(diǎn)火裝置）采用了內(nèi)爆間接點(diǎn)火方案，取得了聚變產(chǎn)出能量高于氘氚燃料的總能量，這表示有部分靶丸物質(zhì)產(chǎn)生了聚變。

OMEGA快點(diǎn)火靶裝置

上圖是OMEGA快點(diǎn)火靶裝置：激光束直接驅(qū)動靶丸，跟間接驅(qū)動相比直接驅(qū)動的效率更高，耦合到氘氚燃料靶丸上的能量是間接的5-6倍，但靶丸被激光照射的均勻性比較低。

慣性約束核聚變靠譜嗎？

如何從慣性約束核聚變的中心引出能量這是一個問題，另外這個點(diǎn)火頻率也要提升幾個數(shù)量級，否則真的是個大玩具，慣性約束核聚變的還有如下幾個必須要面對的問題：

1、高效率、極高頻率以及極低成本的高能激光器

2、低成本的靶丸制造方式

當(dāng)然慣性約束核聚變堆的內(nèi)壁在每次聚變時的輻射沖擊可不小，因?yàn)樗玫囊彩请安牧暇圩?，也會存在中子輻射問題，另外與磁約束不一樣的是慣性約束是脈沖式的，沖擊累積應(yīng)力會更大。

間接驅(qū)動模式點(diǎn)火

核聚變裝置都遇到難以跨越的障礙？

前文說明了幾種幾種核聚變裝置的實(shí)現(xiàn)原理以及理論難點(diǎn)，下面我們來聊聊這幾種裝置在運(yùn)行過程中遇到的難以想象的困難。

1、理論上氘氚核聚變中的氚可以通過中子轟擊鋰-6產(chǎn)生，而氚氘核聚變本身會產(chǎn)生中子，因此會有一個增值效果，但氚的增值效果比較差，而且會被第一壁滯留，而氚的成本極高，一千克需要上億美元，實(shí)在不是一般機(jī)構(gòu)能玩得起。

2、第一壁消耗問題，這是中子以及等離子體輻射的第一沖擊面，另外中子導(dǎo)致第一壁材料嬗變，以及高溫高壓的沖擊，使得這個昂貴的第一壁居然成了耗材，不過ITER是向中國訂購的第一壁，中國承接了ITER10%的制造任務(wù)，范圍是熱核聚變堆中增強(qiáng)熱負(fù)荷部件。

3、等離子體的不穩(wěn)定性和控制破裂的問題，托卡馬克核聚變裝置越來越大，等離子體的電流也越來越高，一旦發(fā)生破裂其后果難以想象的

4、仿星器的等離子體約束會比較好一些，但其他和托卡馬克問題一樣。

5、慣性約束核聚變中沒有那些等離子體的問題，但初始內(nèi)爆對稱性需要的精度極高，始終都是一個跨不過去的坎

核聚變的未來

磁約束核聚變在發(fā)電方面有著天然的優(yōu)勢，因?yàn)橛械谝槐诳梢宰鳛闊峤粨Q的媒介，但慣性約束在未來星際航行發(fā)動機(jī)方面更有優(yōu)勢，但無論哪種在現(xiàn)階段仍然具有相當(dāng)?shù)碾y度。不過隨著未來約束和加熱技術(shù)的進(jìn)步，達(dá)到了更高的溫度約束條件，比如實(shí)現(xiàn)氦三的核聚變，這是一種沒有中子的聚變方式，而且可以引出帶電的氦四原子核和兩個氫原子核（離子，正電荷）的方式發(fā)電。

前蘇聯(lián)物理學(xué)家、托卡馬克之父列夫·阿齊莫維齊曾經(jīng)說過一句名言：“當(dāng)整個社會都需要的時候，聚變就會實(shí)現(xiàn)”，但是阿齊莫維齊大爺，我們已經(jīng)很需要了，還要過多久才能實(shí)現(xiàn)呢？