一個文明的先進(jìn)程度取決于能源利用的效率，而能源利用效率的提高取決于能源工具的不斷優(yōu)化。

如果人類想要提升文明層次，那么可控核聚變是最關(guān)鍵的技術(shù)。

原因十分簡單，核聚變廢棄物無輻射污染，十分清潔環(huán)保。

核能的能量密度極高，號稱宇宙終極能源。其聚變消耗的燃料氘（氫的一種同位素），在地球的儲量也十分巨大。例如，海水中氘的含量就非常高。

上圖：氫的同位素

海水中平均每6420個氫原子中就有一個氘原子。地球上約有132.2億億噸海水，也就是四十萬億噸氘元素。

不考慮能量轉(zhuǎn)換效率的話，這么多的氘理論上能產(chǎn)生九億億億度電，夠人類用數(shù)百億年，即使打個0.1折，也有數(shù)億年。

不過發(fā)生核聚變的條件雖然非?？量蹋枰剂虾途哂凶銐驕囟?、壓力和限制時間的密閉環(huán)境，以產(chǎn)生可以發(fā)生聚變的等離子體。

這些條件組合起來，這被稱為勞森準(zhǔn)則，即溫度、等離子密度、能量約束時間三個值相乘獲得的數(shù)值。

能滿足這些條件的常見環(huán)境，只有宇宙里的恒星中。恒星使用的燃料是氫，而重力提供了非常長的約束時間。

上圖：太陽

在重力的作用下，我們太陽的中心獲得了1500萬K的高溫和 2000億個大氣壓的高壓，因此氫在這個「較低」的溫度下就聚變成了氦。這樣的反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行了 46 億年，產(chǎn)生了巨大的能量。

而在地球上沒有那么高的壓強(qiáng)，要發(fā)生聚變，溫度就需要達(dá)到上億K。

為了降低聚變反應(yīng)難度，在地球上通常使用氫同位素，例如氘(2H)和氚(3H)（尤其是兩者的混合物），因?yàn)樗鼈儽葰涓菀追磻?yīng)，使它們在較少的極端條件下即可達(dá)到勞森準(zhǔn)則的要求。

上圖：聚變反應(yīng)

對于如何承載上億K的高溫，目前最合理的思路是磁約束：包括托卡馬克，仿星器等裝置。

而目前，托卡馬克（Tokamak）是最先進(jìn)的聚變裝置。該裝置把聚變?nèi)剂献龀傻入x子體，利用內(nèi)部電流制造多方向的超強(qiáng)磁場約束等離子體，讓它們穩(wěn)定懸空并高速旋轉(zhuǎn)，在磁約束的環(huán)面中運(yùn)動，不跟容器直接接觸。

上圖：托卡馬克中的磁場

截至2012年4月，估計在全球范圍內(nèi)計劃，退役或目前正在運(yùn)營的實(shí)驗(yàn)托卡馬克共計215個。

在建的ITER 和 有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST）也是托卡馬克裝置。

目前EAST創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。表明托卡馬克裝置已基本滿足建立核聚變反應(yīng)堆的要求。

上圖：全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置EAST

距離實(shí)現(xiàn)可控核聚變還有多久？

但要有效利用核聚變，必須能夠控制核聚變的速度和規(guī)模，并且實(shí)現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出。

有個判斷標(biāo)準(zhǔn)是看核聚變裝置輸出的能量與輸入的能量的比例，稱為Q值。

當(dāng)Q大于0，就可以說已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可控核聚變，但是能量輸出小于能量輸入不實(shí)用。

當(dāng)Q大于1，能量輸出大于輸入，能夠?qū)嵱昧?，而Q大于10就可以商用了。

當(dāng)然，如果條件再提高到某種程度，Q會成為無窮大，也就是說只需要一次點(diǎn)火，體系放出的能量就足以支持核聚變持續(xù)進(jìn)行下去，不再需要外界的能量輸入。

上圖：托卡馬克裝置

但現(xiàn)有托卡馬克裝置的最高實(shí)際效率還是1997年歐洲聯(lián)合環(huán)形加速器（JET）創(chuàng)造的。

其輸出16兆瓦/總輸入24兆瓦，聚變能增益系數(shù)Q=0.67，持續(xù)不到一秒。

日本的JT—60上也成功進(jìn)行了氘—氘反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，換算到氘—氚反應(yīng)，Q值可以超過了1.25。

遺憾的是氘—氘反應(yīng)是不能實(shí)用的，其也沒有使用氚的能力，并未進(jìn)行氘—氚該點(diǎn)火試驗(yàn)。

可以說大部分托卡馬克裝置還在Q=0的區(qū)域里撲騰，有一些進(jìn)入了0<Q <1的區(qū)域，能夠發(fā)生一點(diǎn)核聚變。

上圖：2020年ITER基地的鳥瞰圖

但在即將完成的聚變實(shí)驗(yàn)裝置里，由歐盟、美、日、俄、中、韓、印共同出資建立的可，第一個試驗(yàn)用的聚變反應(yīng)堆ITER，讓我們看到了可控核聚變的希望。

ITER預(yù)計2035年運(yùn)行，2025年完成建設(shè)。一旦建成，它便是地球上最大的聚變實(shí)驗(yàn)堆。

因此ITER的設(shè)計參數(shù)也是史無前例的高，目標(biāo)Q值甚至設(shè)到了10以上。

如果ITER能成功，下一步就是利用ITER的技術(shù)，設(shè)計和建造示范商用堆，到那時，離真正的商業(yè)核聚變發(fā)電就不遠(yuǎn)了。

上圖：國際熱核實(shí)驗(yàn)堆的小規(guī)模模型

不過在ITER運(yùn)行之前，世界普遍認(rèn)為EAST將是第一個能長時間穩(wěn)定運(yùn)行的，Q值能達(dá)到1的托卡馬克裝置，當(dāng)然這可能還要幾年的時間。

而且就EAST來說，從某種意義上，它就是ITER主反應(yīng)體大約1/4的一個原型實(shí)驗(yàn)裝置。

總之可控核聚變前景遠(yuǎn)大，道阻且長，卻非做不可。