当大家谈及什么时候可以用上核聚变产生的能量时，在各个时期总会听到这样的答案：还需要等三十年吧！最近，几个关于重磅资金开始注资一些核聚变能源初创企业的新闻出现时，大家开始意识到核聚变能源的可利用甚至商业化正在进入人们的视野。
漫威经典电影《钢铁侠》的主角托尼·史塔克（TonyStark）胸前发着冷光的方舟反应堆，其实它是系列电影第一部中曾经展示的一个可以产生核聚变反应装置的缩小版。虽然电影中的这个尺寸的核聚变装置在现实生活中尚未实现，但是我们却看到核聚变产生的能量作为未来一种清洁能源的商业潜力。
那么，到底什么是核聚变反应呢？为什么它可以创造出巨大的能量？其实，太阳所向外辐射的能量正是因为其内部源源不断进行着的核聚变反应。
太阳内部是一个超高温和超高压环境，在这样的环境中，原子核外部运行的电子会挣脱出原来所在轨道，大量的原子核和电子发生了分离各自形成了一种等离子体状态。
在高温条件下，等离子体状态下带有正电的原子核会剧烈运动，并将会克服它们之间的强库仑力相互聚合在一起发生核聚变反应。
根据爱因斯坦提出的质能方程，核聚变前后会发生质量塌缩因而将会释放巨大能量。同时释放的热量将会继续提供高温、高压条件，使整个核聚变的反应周而复始。
在地球上生存的人类时刻都离不开能源，其中占比较高的是化石能源，例如石油和煤炭等。这些能源通过燃烧释放化学能的方式进行供能，但同时也释放了大量破坏地球环境的各种气体或者有*物质。更为困难的是，地球上的化石能源都是不可再生资源。
随着环境矛盾的加剧，地球上积累的二氧化碳越来越多，同时化石燃料资源也正在逐步枯竭。虽然现在有一些清洁能源例如水力发电，但是容易受到地理环境因素的限制。
核电站大家可能比较熟悉，中国有很多大型集团中国核工业集团有限公司和中国广核集团有限公司，他们的总装机量可达到上千万千瓦，其所使用的原理是利用核裂变所释放的巨大能量。
但是核电站也因为著名的切尔诺贝利核电站泄漏事故而让人们认识到核辐射的危险[1]。
因此，人们急需一种能量巨大、清洁且安全的能源。如果人类在地球上建造起“人造太阳”，利用核聚变反应所释放的能量，那么地球所面临的恶劣自然环境和日益枯竭的能源问题将会得到很大缓解。
核聚变能是取之不尽用之不竭的清洁能源
目前，地球上大多数核聚变实验装置都是为了创造核聚变产生条件，而不惜一切代价输入能量，但是装置内核聚变所产生的能量却小于输入能量，这样的能量换算似乎并不划算。
因此核聚变作为一种人类能源替代的最大瓶颈就是，需要产生能量输出的正增益，也就是输出能量大于输入能量。
上个世纪五十年代提出的劳逊判据已经给出了明确的努力方向，即等离子体密度、温度和约束时间，三者的乘积越高则聚变能量增益越高。
这一难题一直困扰着各国的科学家和工程师们。据报道，位于美国加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL）的科研人员近日在核聚变研究领域取得了重大进展。
美国国家能源局和LLNL实验负责人介绍到，这次成果是在实验室环境和可控条件下，输入2.05兆焦耳的激光能量轰击核原料，通过核聚变产生了3.15兆焦耳的能量输出，能量增益高达%。
该成果的发布将是人类迈向基于核聚变清洁能源的重要一步，有望加快人类摆脱对于高污染化学能源的依赖。
劳伦斯·利弗莫尔国家实验室是美国著名国家实验室之一，曾经诞生过很多颠覆人类文明的科学发明，也是美国国家战略层面上进行核聚变研究的主要科研机构。
旗下的国家点火装置（NationalIgnitionFacilityproject，NIF）是美国也是世界上所建造的最大激光约束聚变装置，该装置将束激光会聚集中到一点上从而产生高温高压环境，从而达到核聚变产生条件。
该机构曾在年8月的一次实验中实现了自持核聚变反应，他们在一秒的时间内获得了过10万亿瓦的核聚变能量。
自持核聚变反应指的是，当原料中的原子在高温高压能量输入下达到核聚变反应一段时间后，不需要再添加额外的能量就可以让核聚变自动持续下去，源源不断来产生能量。
这个过程与人类利用核裂变反应发电有些类似，因此这个技术的突破将决定核聚变是否可以真正实现其商业价值的关键。虽然自持核聚变的过程听起来简单，但是在一个极高温度和高压的环境去实现仍然面临着非常巨大的挑战。
更为遗憾的是，该团队在后续的四次重复实验中都没有再次实现这一目标，最好的一次结果也仅达到之前结果的50%。为此，科研团队也在积极分析实验结果和实验操作，他们不相信这次成果仅仅是因为实验上的巧合。
对于NIF在后续实验中未能再次实现自持核聚变反应，纽约罗切斯特大学激光聚变中心的负责人里卡多?贝蒂（RiccardoBetti）则表示，这种结果在某种程度上是可以预见的，因为现在运行点火的激光本来就处于一个临界点上，有时可以获得大量能量，但有时却获得的能量较少，实验室还没有能量来预测这种准确性的能力。
而就在刚刚，NIF再次宣布它们是有能力实现可控自持核聚变反应，并且实现了比年8月份更高增益的核聚变反应，这标志性的一步将带领人类向着地面实现“人造小太阳”迈出更近的一步。
可以说，NIF这次成果印证了之前的实验路线是正确的，自持可控核聚变不再会是碰运气，并且沿着这条技术路线可以实现增益更高的核聚变。
核聚变反应释放巨大能量
核聚变这么的神奇，那么它能够提供巨大能源的机理在哪呢？在典型的氘氚核聚变反应中，仅需要氢原子的两个同位素氘和氚就可以实现，这两种氢同位素可通过海水提炼获得。依靠氘和氚进行的核聚变反应会产生一个更重的氦原子核与一个中子。
但是，氘氚核聚变产生的高能中子会轰击核聚变反应装置的内壁而破坏试验装置。除此之外，还有氘和氦－3进行的核聚变反应，以及中子和硼原子进行的p-B11核聚变等。
其实，人类历史上很早就利用核聚变原理而制造氢弹。年，世界上第一颗氢弹爆炸所释放的能量相万吨TNT炸药爆炸所释放的能量。
氢弹的威力让人们认识到核聚变所带来的巨大能量释放，可惜氢弹爆炸产生的能量是不可控的。
所以真正能够让人类使用上核聚变能源的关键是要实现可控核聚变，并且为了获得正向的能量输出还要使核聚变反应释放的能量大于其输入核聚变条件能量。
那如何在地球上创造出一个可控的核聚变反应环境呢？目前，实现的方式主要为惯性约束和磁约束。
惯性约束主要是将核聚变燃料限制在一个固定几何空间内，然后利用高能轰击核聚变燃料，其受惯性作用来不及膨胀而瞬间形成高温高压环境，形成核聚变反应条件。
其中最常使用的就是刚刚介绍的LLNL中的国家点火装置所使用的高能激光实现惯性约束。
其原理是利用高功率激光束激发由热核燃料制造的微小靶丸，激光提高的高能量使靶丸在瞬间就会形成高温等离子体状态，并且迅速向外膨胀的反作用力产生极高压力，从而达到核聚变反应条件。
图｜核燃料弹丸被外部能量激发（来源：LLNL实验室）
除了LLNL的国家点火装置之外的点火装置，还有位于中国上海光机的神光II号装置也是基于这一核聚变反应机制。
除了惯性约束可以产生核聚变反应之外，还有以托卡马克装置为代表的磁约束来产生核聚变反应。托卡马克并不是一个人的名字，而是取名自由构成它的环形腔体、真空环境、磁约束、线圈的俄文单词缩写。
在托卡马克的环形真空腔体内，环形腔体的外部线圈将会提供一个巨大的磁场环境，核聚变燃料会受到磁场提供洛伦兹力的作用，而被约束核聚变燃料原子的剧烈运动将会发生碰撞，进而发生核聚变反应。
托卡马克装置提供的强大磁场取决于外部线圈中的电流大小，因此通常采用超导线圈以降低焦耳损耗，而超导线圈往往需要极低温度才能实现。
在一个全超导托卡马克装置中，内部真空环境温度极高，而外部线圈有需要极低温度进行降温，可见是一个非常复杂的冰火两重天的场景。
例如后面将会介绍的ITER、EAST和中国环流器二号M装置等等，这些都是依照托卡马克装置原理而建造的大科学实验装置。
根据劳逊判据，核聚变的增益取决于等离子体密度、温度和约束时间的共同作用，而装置的大小在一定程度上影响着约束时间，磁场强度影响等离子体的密度和温度上限。
这要求托卡马克装置提供磁场具有更强更高的约束环境[2]，除此之外，托卡马克装置的内部也极其复杂。
托卡马克核聚变装置内部要保持高真空状态，还需要包括偏滤器、包层、限制器以及位于真空室内的诊断部件等众多重要部件。
例如偏滤器部件，在装置运行时处于装置内部的等离子体温度高达上亿度，部分高温等离子体会脱离磁场的约束，逃逸到偏滤器区域，这使得偏滤器需要承受极高的热流和粒子流。
那么对偏滤器的要求就是在极高的热流作用下部件不会熔化，并且在极高能量的粒子轰击下不会溅射出过多的杂质，影响芯部的聚变反应。
同时还需要考虑实验装置运行过程中的损伤问题，内部部件的损伤与服役寿命会极大地影响装置的运行和维护计划。
因此，在等离子体运行中，需要考虑正常运行和瞬态事件工况下的部件损伤。由此可见，建造托卡马克装置的工程量和复杂性都十分巨大。
ITER——人类为研究核聚变的宏伟计划
聚变产生的条件是十分苛刻的，往往需要巨大的财力、物力和人力的支持，而国际合作是一个非常有效的途径。
早在年，国际热核聚变实验反应堆（InternationalThermonuclearExperimentalReactor，ITER）就开始筹备[3]，但是因为各种复杂因素直到年，由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国才共同签订了ITER计划协定，计划投资可能高达数百亿美元。
图丨ITER正在建设中（来源：ITER