可控核聚变是未来能源的选择 在全球气候变化的时代，以及对人类长期依赖化石能源的担忧，许多人认为解决方案在于替代能源，找到一个化石能源的替代能源，可以帮助我们减缓气候问题，因此核裂变能源应运而生。现在我们所有的核电站都是以核裂变反应为基础的，也就是以可控的方式将重原子分裂成较轻的结构。尽管有了化石能源的替代能源，但是核电站或者说核裂变有很多安全问题，比如说燃料是放射性的，废料的处理也一直是一个问题，另外核灾难事故也表明核电站造成的损失很高…… 
核聚变更清洁，燃料也有更便宜，更丰富的来源，科学家可以从水中提取一种叫做氘的氢同位素，而这个过程中只有氦作为废物产生。如果核聚变技术可以实现并发挥其全部潜能，这将是一种无休止的，无排放的能源。有很多科幻作品都以核聚变为主要能源，核聚变可以说是未来能源的一个道路。不过，尽管科学家们进行了数十年的工作，大规模商用核聚变仍然是一个梦想。 
核聚变很难大范围使用的原因这不是因为不可能实现，而是按照高能粒子物理标准无法实现甚至很难实现持续的聚变反应，也就是无法一直持续其过程，也可以理解为产生的能量远远低于启动和维持该过程所需的能量。说到聚变反应，我们大家一定都知道这个例子——氢弹，氢弹的威力大约是普通原子弹的1000倍。氢弹聚变反应所需的氢同位素被放置在普通裂变弹周围。裂变炸弹爆炸的释放可以为聚变过程提供活化能（引发或开始反应所必需的能量）所需的能量。 
以核聚变能源角度来说，这不是什么新的概念，在我们的太阳上无时无刻不在发生核聚变，它就在我们的眼前，太阳通过氢原子核融合成氦来产生绝大部分能量。当原子核融合时，它们会产生一个较重的原子核，并在此过程中产生剩余能量。 那么为什么我们拥有裂变能力，却没有聚变能力呢？答案很简单，但是这令许多科学家很头痛：要使聚变发生在地球上，设施至少需要1亿摄氏度的温度，是太阳核心温度的六倍。1亿摄氏度的高温难以长时间维持，等离子体不可控，源材料不耐久等等问题都是核聚变的瓶颈。 
说到这里有了另外一个问题，为什么太阳中心不断核聚变的温度比地球核聚变温度要低很多呢？为什么地球进行核聚变反应就需要1亿摄氏度呢？这是因为当前在地球上没有太阳中心的高压，而如果没有高压环境就需要极高的温度才能有核聚变的过程。换句话说，太阳核心的压力很大，所以1500万摄氏度就足以产生核聚变反应了。 原子是由中子和质子组成的原子核和电子组成：质子带正电，而中子不带电。原子核是原子的带正电核心，而绕原子核运动的电子是带负电的。如果整个原子像足球场一样大，则原子核的大小将不超过场中央的一粒米。 
核聚变顾名思义就是“聚”字，也就是说原子核之间要靠得够近，够近是多近呢？大约是原子尺度的十万分之一。质子带正电，而中子不带电，所以质子和质子之间具有很大的排斥力，在太阳中心有极大的高压，压力越高，所需温度就越低。所以这就是地球上核聚变实验最低要达到1亿摄氏度的原因，也是目前核聚变难以维持长久的一个重要原因。 
所以在之后出现了冷聚变这个术语，冷聚变也可被称为电子缚态核聚变，科学家希望核聚变反应可以在相对较低的温度下发生。一旦该理论目标被实现，这个理论就可以成为核聚变的核心理论。只可惜冷聚变这个理论在1980年代后期就被淘汰了，当时电化学学家Stanley Pons和Martin Fleischmann报告说实验产生了过多的热量以及很多未知的核副产物。  总而言之，核聚变是在高压力下让两个原子核碰撞并将它们融合成更大的原子核的过程，这一过程进行的时候会释放出大量能量。在地球上，想要进行核聚变实验，想要实现如此高压力高温度的环境就需要说到托卡马克，托卡马克是现代科学家实现核聚变的一种方式，那么托卡马克到底如何进行核聚变实验呢？ 世界托卡马克介绍——地球上的核聚变实验设施地球上人造的核聚变反应发生在托卡马克之中，这是一个甜甜圈形的设施。研究人员需要在其中将气体泵入真空室，电流流过托卡马克中心。因为气体带电，所以形成了等离子体，然后通过磁场（由巨大的电磁线圈产生）将等离子体锁定在真空室内，这是为了模拟太阳核心的压力。无线电和微波被发射到等离子体中以提高其温度，在大约一亿度的温度下就会发生聚变。 
除了加热反应室所需的高昂电费以外，刚才我们说到，核聚变持续反应的主要障碍是找到一种能够承受这么大热量的材料。另外，其实核聚变反应的这些磁场与某些科幻飞船翘曲动力核心上看到的磁场没有什么不同，都是高热高压的产物。 近期核聚变界已经确定了主流的可控核聚变项目，包括聚变物理学研究和对反应堆可操作性的综合分析，另一个是暴露于强中子通量的聚变材料的性质。一般而言，这些研发有助于更好地确定商业反应堆和聚变电站FPP的运行任务和要求。 
要确定反应堆的每个参数和特性并不是一件容易的事。首先科学家们多次定义了托卡马克的设计原理和结构，其关键系统有MS系统，包括环形和多极场线圈，中央螺线管，有源控制线圈和校正线圈；带有容器内部件和端口的真空容器；等离子附加热和电流驱动系统；辐射屏蔽层；等离子体位置和形状控制系统；真空维持系统；诊断和控制系统和电源系统等结构。 
位于库勒姆聚变能源中心CCFE的欧洲托卡马克设施JET就是纯粹的实验性托卡马克反应堆。JET建造于1977年，是实现核聚变实验第一步。现在欧洲正在建造ITER新托卡马克设施，ITER的体积将比JET大三倍，重可达23000吨，也就是大约115头蓝鲸的重量。
聚变反应堆是巨大的机器，是机器就需要管理。JET的反应堆是一栋大房子的大小，被容纳在一个飞机机库大小的建筑物内。这些反应堆非常复杂，管理JET就需要超过2500个控制柜。如果一个隔间发生故障，则核聚变过程就无法进行。另外核聚变测试还必须避免在城市用电高峰运行，以避免对电网造成超负荷损坏。 一次核聚变实验的过程非常复杂，首先启动JET就需要16周的准备时间，启动之后就不能停机，因为停机既浪费时间又浪费预算，另外如果停机重新启动也需要长时间的泄漏测试，所以科学家们进行一次实验都必须仔细再仔细。
除此之外聚变反应过程中反应堆部件上会有巨大的磨损，这是因为除了聚变所需的巨大热量和压力外，等离子体还会快速射向中子，逐渐的这些中子会嵌入到包裹反应堆堆芯的保护结构中。随着时间的流逝，这些反应会导致反应堆结构材料的加速降解。 自1983年以来在英国运营的欧洲联合设施JET是核聚变实验迈出的第一步。由40多个欧洲实验室共同使用的JET，在1991年实现了世界上第一个受控释放核聚变的过程。
此后，全球核聚变取得了稳步进展。法国的Tore Supra托卡马克拥有所有托卡马克设施运行持续时间最长的记录。日本JT-60托卡马克达到了设施的“三高”记录，包括最高密度，最高温度和最大限制时间。美国的托卡马克设施也有平均非常好的成绩。 说到托卡马克核聚变实验设施，我国也拥有世界先进的托卡马克设施，我国的托卡马克实验设施离子温度也达到了1亿摄氏度。所有实验参数是之前设计理论的两倍，而且我国环流器二号M装置还采用了更先进的磁场控制结构与等离子控制方式，也对设施的材料进行了新的尝试。
未来核聚变领域的实验道路，令人期待所有的实验并不是一个人独自努力工作就可以完成的，是世界科学家共同努力的结果，全世界的核聚变托卡马克设施在2018年已经重新调整了其科学程序的方向或修改了其技术特性。世界各国正在组建全球核聚变研究联盟，以分开一个一个托卡马克测试变为共同合资研究。另外现在的科学家正在研究等离子操作，等离子与等离子壁的相互作用，材料测试和最佳功率提取方法等先进核聚变模式。
可控核聚变真正实用还需要一定时间，但是这就是我们对未来科学的追求，对真正无害可持续能源的追求，对未来地球环境的追求。我们在发展科学的同时也要注意地球环境，利用科学造福地球，也许这是人类科学家研究托卡马克核聚变的初心吧。无限能源，无污染能源，低成本能源，科学在进步，科学家在行动。 |
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