都說核聚變是人類追求的終極能源，原因很簡單，因為它的燃料來源就是我們常見的氫，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，而且還司空見慣，為什么我們還一直實現(xiàn)不了呢？
核聚變這個詞從上世紀中葉開始流行，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，因為時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？其實這話只對了一半，因為太陽真的是氫作為燃料的，但我們正在努力在實現(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%，而氚因為存在一個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。
因為質(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入質(zhì)子鏈反應！根據(jù)早先計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到聚變反應。
1H + 1H → 2H + e+ + νe
質(zhì)子反應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，因為這是一個吸收能量的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！
當然全球頂尖科學家正在搗鼓的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。
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，一般都是在反應堆中用中子轟擊鋰-6取得！
2H + 3H → 4He+1n，兩者反應將會有一個中子多余
在所有原子核的結合能中，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，因為氚化鋰穩(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現(xiàn)的，這個極端溫度在太陽的內(nèi)核很容易達到，但人類就傻眼了，怎么來達到這個極端的溫度？既要保證極致的高溫，還要持續(xù)足夠的時間，因為只有保持足夠的時間才能讓原子核有更多的機會參與聚變，似乎我們根本就找不到這樣的容器。
根據(jù)核聚變的極端條件，科學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大的磁場來約束核聚變的裝置，但它有幾個必須跨越實現(xiàn)的目標，因為這是實現(xiàn)磁約束的基礎。
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，當然沒有任何一種容器可以扛住千萬度的高溫，因為人類能狗找到的最耐高溫的材料是五碳化四鉭鉿（Ta4HfC5），它的熔點為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，它的運動受到磁場控制，因此在理論上只要建立一個強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，達到加熱目的。
波加熱：使用輸入適當頻率的電磁波，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，第二它會引起材料的缺陷，導致脆化與蠕變等，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構稱為第一壁，在核聚變堆材料選型中，這個第一壁的要求極高。
當然一個磁約束核聚變堆遠不止以上幾個難題，比如一個產(chǎn)生磁場的超導磁環(huán)設計的要求非常高，另外還有等離子體能達到的極限溫度、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)結構上來分有托卡馬克和仿星器兩大類，當然兩者各有有很多細分，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50年代發(fā)明的。盡管到現(xiàn)在有了很大的改變，但結構原理上差異并不大，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“淡藍色線圈”（等離子體導電，貢獻極向磁場），而通了電的“線圈”會受到深藍色磁環(huán)的控制（貢獻縱向磁場，請參考通電線圈在磁場中運動），從理論上來看這是一個完美的結構是吧，但事實上在托卡馬克裝置中的等離子體電流高達千萬安培，扭曲模、磁島以及磁面撕裂等問題非常嚴重，如果失控最好的結果是熄火，最壞甚至可能爆炸，因為上千萬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)則的腔體結構，中間那個大柱子就是“鐵芯”，而超導磁環(huán)線圈都躲在半圓形腔體的外部，受到第一壁的嚴密保護。
仿星器的概念是普林斯頓大學的物理學家萊曼·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難題轉(zhuǎn)移給外部三維磁場，給設計和建造以及安裝帶來了極高的難度。
仿星器的外觀設計，就像一條首尾連接的蛇，有一種工業(yè)設計美感！上圖中50個藍色扭曲環(huán)的是不規(guī)則超導線圈，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？其實這就錯了，盡管托卡馬克因為是個伏秒數(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，其不規(guī)則的磁場容易產(chǎn)生磁感應強度周期性振蕩，這會導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。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！
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，所以叫做慣性約束核聚變。1972年,勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家約翰·納科爾斯首先提出 用高功率激光壓縮微型靶丸，從而達到熱核材料點火條件的方案，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
前者當然最關鍵了，因為激光是火柴，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)嶒灐?/p>
而另一個問題則是靶丸的設計，這關系到慣性約束核聚變的點火方式，在慣性約束核聚變中點火的發(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，因此靶丸的設計很關鍵。上圖中是兩種靶丸的設計，左側(cè)是間接驅(qū)動，右側(cè)是直接驅(qū)動，NIF（美國國家點火裝置）采用了內(nèi)爆間接點火方案，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快點火靶裝置
上圖是OMEGA快點火靶裝置：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，因為它用的也是氘氚材料聚變，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，沖擊累積應力會更大。
間接驅(qū)動模式點火
前文說明了幾種幾種核聚變裝置的實現(xiàn)原理以及理論難點，下面我們來聊聊這幾種裝置在運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，實在不是一般機構能玩得起。
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，范圍是熱核聚變堆中增強熱負荷部件。
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
磁約束核聚變在發(fā)電方面有著天然的優(yōu)勢，因為有第一壁可以作為熱交換的媒介，但慣性約束在未來星際航行發(fā)動機方面更有優(yōu)勢，但無論哪種在現(xiàn)階段仍然具有相當?shù)碾y度。不過隨著未來約束和加熱技術的進步，達到了更高的溫度約束條件，比如實現(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)物理學家、托卡馬克之父列夫·阿齊莫維齊曾經(jīng)說過一句名言：“當整個社會都需要的時候，聚變就會實現(xiàn)”，但是阿齊莫維齊大爺，我們已經(jīng)很需要了，還要過多久才能實現(xiàn)呢？
