作为未来的清洁能源，核聚变受到了人们广泛关注。2022 年，紧凑型聚变技术被《麻省理工科技评论》评选为“全球十大突破性技术”之一。

1、核聚变定义

根据国际原子能机构定义，核聚变反应是指由质量轻的原子核融合形成质量更重的原子核这一过程，过程中会释放出部分能量，称为核聚变能。早在五十年代初地球上就实现了聚变核反应，这就是氢弹的爆炸。它是依靠原子弹爆炸时形成的高温高压，使得氢弹里面的热核燃料气气发生聚变反应，释放巨大能量，形成强大无比的破坏力。可惜这种瞬间的猛烈爆炸无法控制。

2、可控核聚变

是指安全、可控的、能够持续进行的核聚变反应。其释放能量大、原料来源丰富、产生的放射性废物少并且多为惰性气体氦，与核裂变相比具有更高的安全性，还无污染。因为其实现原理与太阳相似，因而可控核聚变又称为“人造太阳”。人类如果要将核聚变的能量真正利用起来，就必须对核聚变的速度和规模进行控制，并将能量持续、平稳输出。

3、商业化的可控核聚变

目前可用于商用场景的可控核聚变，是把两个小的原子【气和氚】加热至1亿°核合并成一个大的原子核的过程【21H(氘)+31H(氚)一42He(氦6)+10n(中子)+17.6MeV(能量)】，这个过程会释放出巨大的能量。核聚变比我们目前使用的核裂变(比如核电站和原子弹)要更安全、能源储备也更加丰富(核聚变的主要原料是氢的同位素，海洋储量巨大，产出潜力几乎是无限的)，而且产生的废物也少得多。

• 聚变发电：最直接的应用是用于发电。理论上，一个成功的商业化核聚变反应堆可以提供巨大的能量，足以支撑大型电网的需求，为城市和工业提供稳定、大量的电力。

• 宇宙飞行：核聚变技术有潜力被用于宇宙飞船的推进系统。相较于传统的化学燃料，核聚变可以提供更大的推力和更高的效率，使得长距离太空旅行——例如前往火星或其他行星——成为可能。

• 氢气生产：核聚变反应堆产生的高温可以用于电解水产生氢气，作为清洁能源。这种方法生产的氢气被认为是实现未来绿色经济的关键因素之一。

• 医疗应用：虽然间接，但核聚变产生的中子可用于医药领域，例如在放射性治疗和医学影像技术中有潜在应用。

4、可控核聚变的原理

核聚变反应指的是两个轻原子核合并形成一个更重的原子核时释放出巨大能量的过程。这种反应在恒星内部是天然发生的，如太阳就是通过核聚变反应持续发光和发热。在人工实现的可控核聚变研究中，常见的聚变反应有：

1. DT(氘-氚聚变)：氘-氚反应是当前可控核聚变研究中最有希望实现的反应，因为它在相对较低的温度下就能发生，且释放的能量相对于其他反应来说非常高。但这种反应产生的中子具有很高的能量，处理这些中子的辐射和材料问题是目前研究的难点之一；

2. DD(氘-氘聚变)：氘-氘反应是最基本的聚变反应之一，产生氦-3和一个中子，或者产生一个氚原子和质子。这种反应相对容易实现，但由于同位素氘的获取相对简单，它是可控核聚变研究中的一个重要反应;

3. pB11(质子-硼11聚变)：这一过程不直接释放中子，因此相比其他聚变反应，比如常见的氘-氚（D-T）聚变，它被认为是一种更为“清洁”的核聚变反应，因为它产生的放射性废物更少。pB11聚变反应对温度和压力的要求极高，远高于氘-氚聚变反应需要的条件。

4. DHe3(氘-氦3聚变)：d氘-氦3反应也是一种受到关注的聚变反应，因为它相较于D-T反应产生较少的中子，是一种更为“清洁”的核聚变反应。但氦-3的获取相对困难，这是实现该反应的主要挑战之一;

5. He3He3(氦3-氦3聚变)：氦3-氦3聚变反应完全不产生中子，被认为是一种极其干净的核能源。然而，与D-He3反应类似，氦-3的稀缺和高昂成本是限制这种反应发展的主要因素。

根据Fusion Industry Association统计，目前核聚变反应中原料来源中，氘氚聚变反应占比为65%，是当前最主要的核聚变反应形式。

DT聚变反应是当一个氘核与一个氚核聚在一起，在高温等条件下发生反应，形成一个新的原子核-氦，同时释放出1个中子，反应过程中减少的质量变成了大约17.6MeV的能量。由于DT反应速率高且反应横截面较大，同时原材料氘容易获取。

7、可控核聚变的约束装置

约束装置在核聚变研究中至关重要，它的主要目的是为了维持和控制高温等离子体状态，以促进和维持聚变反应。核聚变反应需要极端的条件，包括非常高的温度（约1亿摄氏度）和密度，以使得原子核能够克服电磁斥力，发生聚合并释放能量。为了达到这些条件并在实验或反应器中维持足够长的时间，人们发展了不同类型的约束装置。

1. 磁约束聚变：磁约束聚变是目前研究最广泛的一种聚变实现方法，它通过使用强磁场将热等离子体约束在一个预定的空间内，防止等离子体与反应器壁接触。其中，托卡马克(Tokamak)和恒星器(Stellarator)是两种主要的磁约束系统。

2. 惯性约束聚变：惯性约束聚变通过使用高能激光或者离子束快速均匀加热燃料球（通常是氘、氚混合物），使其达到极高温度和密度，燃料球因热膨胀而产生的惯性力将燃料压缩在一起，从而实现核聚变。这种方法的关键设施包括国家点火装置(NIF)和欧洲极光激光装置(LFEX)。

3. 磁化靶惯性聚变 (MagLIF)：磁化靶惯性聚变是一种新型的聚变方法，结合了磁约束和惯性约束的原理。它通过对聚变靶材施加磁场来增加等离子体的热效率，并使用激光或其他手段快速压缩聚变料，以触发聚变反应。

4. 旋转靶聚变(Z-pinch)：旋转靶聚变利用了电流产生的磁场来压缩等离子体，实现聚变条件。这种方法通过发送一个强烈的电流穿过等离子体，产生压缩力量，进而引发聚变反应。

5. 激波引发聚变(Shockwave)：激波引发聚变是通过引发强激波来压缩燃料达到聚变条件，这种方法还处于初步研究阶段。

每一种聚变实现方法都有其优势和面临的技术挑战，目前还没有任何一种技术实现了可控核聚变的商业化应用。科学家们仍在致力于克服物理和技术障碍，以期未来实现这一梦想。