1樓：集錦科學
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**就是我們常見的氫，而它產生的能量卻是核裂變方式是的十幾倍以上，並且沒有核廢料，少輻射甚至沒有輻射！太陽則是現實世界中距離我們最近且無時不刻在發生核聚變的恆星，夜空中除了幾顆行星外，每一顆都和太陽一樣！有那麼多優點，而且還司空見慣，為什麼我們還一直實現不了呢？
核聚變到底用的啥原料，真是氫嗎？
核聚變這個詞從上世紀中葉開始流行，到現在已經爛大街了，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裡出現，但真正瞭解核聚變的朋友可能並不多，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！那麼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的卻不全是！
氫有三種同位素，分別是：
氕：一個質子+一個電子
氘：一個質子+一箇中子+一個電子
氚：一個質子+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，佔了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。
對於太陽來說，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（大於13mj（木星質量））就已經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！那麼氕到底有多難呢。
因為質子與質子之間的庫倫勢壘非常難以突破，只有在極高的溫度下，質子的平均動能突破庫倫斥力時候才能進入質子鏈反應！根據早先計算的理論值太陽核心的溫度並不以讓質子突破，庫倫斥力，但在量子力學發展後發現質子可以通過波函式隧道、在比理論溫度低的條件下達到聚變反應。
1h + 1h → 2h + e+ + νe
質子反應鏈的第一步是兩個質子聚變成氘原子核，其中一質子釋放出一個正電子和一箇中微子轉換為中子！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。
實現核聚變有多難？需要什麼條件？
前文我們說了氘在自然界中少量存在，而氚在自然界中並不存在，一般都是在反應堆中用中子轟擊鋰-6取得！
2h + 3h → 4he+1n，兩者反應將會有一箇中子多餘
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，比如太陽核心的條件，可以降低高溫條件。所以到現在為止人類的氫彈裝藥都是氘和氚（一般都是氘和氚化鋰，因為氚化鋰穩定），但即使如此，氫彈中的氘和氚聚變的條件也是原子彈**實現的，這個極端溫度在太陽的核心很容易達到，但人類就傻眼了，怎麼來達到這個極端的溫度？既要保證極致的高溫，還要持續足夠的時間，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。
當前有哪幾種方式來實現核聚變？
根據核聚變的極端條件，科學家挖空腦袋搞出了幾種理論上能夠實現核聚變的方式，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的目標，因為這是實現磁約束的基礎。
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，首先是數千萬度的高溫，然後是足夠長的時間，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！
物質在極高溫的狀態下，電子會遊離成為自由電子，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，當然前者並不難，而後者需要將受到約束的等離子體溫度加熱至數千萬甚至上億度，方法有如下幾種：
歐姆加熱：利用產生磁場的變換電流在其內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、電阻下降後加熱效果迅速下降。
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，通過等離子體內的離子迴旋共振、電子迴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？
氘氚聚變會產生一個多餘的、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，比如一個產生磁場的超導磁環設計的要求非常高，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？
根據結構上來分有託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，但兩者又有區別。
託卡馬克裝置
託卡馬克：磁環比較規整，但環形螺旋磁籠產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生扭曲的環形磁籠
託卡馬克裝置最早是前蘇聯庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等上世紀50年代發明的。儘管到現在有了很大的改變，但結構原理上差異並不大，先來看看託卡馬克的超級大變壓器（託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，但事實上在託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**，因為上千萬安培帶來的能量會耗散在這個封閉空間內。
可以看到內部規則的腔體結構，中間那個大柱子就是「鐵芯」，而超導磁環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2023年提出的。仿星器的特徵是極度扭曲的磁環線圈控制，它不需要內部等離子體電流，通過內部扭曲閉合的磁籠轉而將控制等離子體的技術難題轉移給外部三維磁場，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，就像一條首尾連線的蛇，有一種工業設計美感！上圖中50個藍色扭曲環的是不規則超導線圈，20個黃色扭曲環則是普通環形線圈。
看起來是不是仿星器秒殺了託卡馬克？其實這就錯了，儘管託卡馬克因為是個伏秒數有限的大脈衝變壓器，不能持續提供驅動電流，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，其不規則的磁場容易產生磁感應強度週期性振盪，這會導致它的約束效能下降，仿星器在等離子體的密度與溫度上比託卡馬克差了可不止一星半點。所以仿星器在並沒有成為主流，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，用鐳射轟擊靶材，產生的等離子體的慣性使其壓強維持足夠長的時間，使得靶丸在這個週期內產生大量的聚變反應，所以叫做慣性約束核聚變。2023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 用高功率鐳射壓縮微型靶丸，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、鐳射器的數量以及功率
2、靶丸的驅動方式
前者當然最關鍵了，因為鐳射是火柴，這個火柴不夠猛，那就啥都不用考慮了！早先的鐳射器體積龐大而且功率不夠，僅有理論而無用武之地，但隨著高功率固體鐳射的誕生，慣性約束核聚變逐漸從理論走向實驗。
而另一個問題則是靶丸的設計，這關係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生條件的勞森判據是靶丸的質量密度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，左側是間接驅動，右側是直接驅動，nif（美國國家點火裝置）採用了內爆間接點火方案，取得了聚變產出能量高於氘氚燃料的總能量，這表示有部分靶丸物質產生了聚變。
omega快點火靶裝置
上圖是omega快點火靶裝置：鐳射束直接驅動靶丸，跟間接驅動相比直接驅動的效率更高，耦合到氘氚燃料靶丸上的能量是間接的5-6倍，但靶丸被鐳射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鐳射器
2、低成本的靶丸製造方式
當然慣性約束核聚變堆的內壁在每次聚變時的輻射衝擊可不小，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衝式的，衝擊累積應力會更大。
間接驅動模式點火
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現原理以及理論難點，下面我們來聊聊這幾種裝置在執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產生，而氚氘核聚變本身會產生中子，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衝擊面，另外中子導致第一壁材料嬗變，以及高溫高壓的衝擊，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%的製造任務，範圍是熱核聚變堆中增強熱負荷部件。
3、等離子體的不穩定性和控制破裂的問題，託卡馬克核聚變裝置越來越大，等離子體的電流也越來越高，一旦發生破裂其後果難以想象的
4、仿星器的等離子體約束會比較好一些，但其他和託卡馬克問題一樣。
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
磁約束核聚變在發電方面有著天然的優勢，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動機方面更有優勢，但無論哪種在現階段仍然具有相當的難度。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）的方式發電。
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