全人類共同努力，才能進入新能源時代，科學探索與合作永遠在路上

什麼是未來能源

現在，你可能感覺不到，但你現在正在做的事情，比如你正在看這篇文章，以及窗外的一切，都是由核聚變提供動力的，因為核聚變驅動著太陽，而太陽又驅動著地球上的一切。假設你離得太陽足夠近就可以看到它的核心，氫原子結合成了氦原子，在這個過程中會釋放出大量的能量。核聚變除了不斷幫助太陽核心加熱外，太陽核聚變還產生了很多太陽活動，太陽活動粒子在1。5億千米的星際空間中流動，影響著地球。這麼說的話，未來能源其實就在我們的眼前。

現在人類科學家可以製造一臺機器，在地球上覆制太陽內部發生的事情，只不過沒有太陽那麼大的規模。理論上，科學家們只需在一端注入氫氣，將其原子聚合在一起，然後從另一端回收氦就可以達成目標。在這個過程中，這個機器會產生大量的熱能，我們可以用這些熱能來驅動任何東西，就像傳統的發電廠一樣。沒有汙染，沒有二氧化碳，也沒有致命的核廢料，核聚變能源將是清潔而又安全的。

大自然給予了人類很多，但是給我們的考驗更多，現在，我們有很多不同的方法來製造所需的能源，比如石油，天然氣，煤炭，風能，太陽能，水力，垃圾焚燒和生物能量等等。有這麼多種能量還要核聚變有什麼用呢？很現實，人類靠山吃山靠水吃水的日子不會太久了，未來幾十年，地球會給人類出一系列現實問題。

世界人口在增加，預計到2050年將從現在的大約75億人口增加到100億人口左右。同時，發展中國家的人口目前使用的能源很少，隨著他們生活水平的提高，在未來他們會使用更多的能源。據估計，到2050年，世界需要的能源是現在需求能源的2-3倍。目前，我們80%的能源來自石油、天然氣和煤炭等化石燃料，然而這些燃料供應有限，尤其是石油和天然氣正迅速枯竭。

去年，聯合國釋出了一篇統計報告，報告中預計未來30年世界人口總數將增加20億，也就是說到2050年將達到97億人的總人口

另外當我們燃燒使用化石能源時，它們會產生二氧化碳氣體。這會導致氣候變化，最終我們的星球會面臨全球性火災，海平面上漲，火山問題等等。利用太陽能、風能、海洋和其他能源製造的可再生能源是解決這些問題的一個辦法，但目前這些方法的效率不夠高，無法產生足夠大的影響，舉個例子，數千個風力渦輪機的發電量只相當於一個燃煤發電廠。換句話說，如果我們能建造出和燃煤發電廠一樣甚至更高效率的核聚變電站，還沒有環境問題，我們就能永遠解決地球的能源問題。

那麼我們如何在地球上實現核聚變反應並將其大規模商用呢？夢想正在一步一步實現，目前最好的方法是使用比普通氫原子稍重的其他氫同位素，它們擁有不同的原子形式。大多數核聚變實驗的基礎是將氘和tri轉化為氦，當兩個不穩定的原子重新排列成一個穩定的原子時，會釋放出大量的能量。這聽起來很簡單，但是做起來非常非常困難。

因為要使兩個原子融合，你必須讓原子核足夠靠近，問題是，每個原子的原子核都有一個相對較大的正電荷，原子核離得越近所需的能量就越大。透過庫倫定律我們知道，兩個原子核之間距離每減去二分之一，就會增加四倍能量，這就意味著科學家們必須使用大量的能量才能使原子聚合在一起。

核聚變領域科學的研究方向

核聚變研究是世界上最昂貴的研究之一，通俗的講就是連電費都付不起，也造不起託卡馬克裝置……不過一切總會改變，核聚變對於未來能源來說實在太重要了，未來的核聚變能源不只可以幫助地球人類解決能源問題，利用核聚變，人類甚至可以大步向太空進發，這將幫助人類成為多星球物種。現在，超高速計算、材料科學、超級計算機建模和模擬技術的進步正在幫助打破核聚變難以逾越的技術障礙，大量人才和預算也正在流入該領域。一些新的核聚變專案正在利用最新一代的超級計算機來更好地理解和控制超高溫等離子體的行為。

美國宇航局Kilopower反應堆計劃示意圖，該計劃目標是在月球和火星表面建造小型核裂變反應堆，雨傘狀的結構是散熱器，該裂變反應堆使用鈾235產生熱量，這些熱量透過被動式鈉熱管輸送到斯特林變換器上，然後給宇航員居住區供給。不過也有科學家提出反對意見，認為這可能會汙染月球，還是等成熟的核聚變技術最好。核能無論是核裂變還是核聚變，都可以幫助人類實現太空夢想

整天夢想新能源可不行，科學家們都是實幹家，科學正在不斷進步，核聚變領域科學也不是單一的科學，目前科學家們正在追求核聚變科學與其他領域科學共同發展，這對於商業化核聚變能源有很重要的意義。全球國家或者個人投資者都在努力以早日實現核聚變，不過縱觀所有核聚變實驗，核聚變設施等，可以把地球上的核聚變實驗歸類為三種主要方法，這三種方法其實更像是三個方向，這將是人類實現可控核聚變的關鍵。

磁約束託卡馬克裝置——主流託卡馬克

說到核聚變，大家首先就會想到託卡馬克裝置，強大的電磁場會把超高溫等離子體限制在託卡馬克的圓環形結構內，也就是說科學家們可以給託卡馬克通電，然後託卡馬克外圈可以利用磁力來控制核聚變所需的超高溫等離子體，在超高溫等離子體中，氫原子核會聚合形成氦。自20世紀60年代以來，人類已經建造了200多個功能性託卡馬克，託卡馬克設施是目前實現核聚變的主流，全世界很多國家或者機構都資助了託卡馬克設施。

目前現存最大的託卡馬克設施就是位於英國的JET託卡馬克，自1983年開始運營以來，JET在核聚變科學和工程領域取得了重大進展，它的成功促成了第一臺商業規模核聚變裝置ITER的建造。近年來，科學家們利用JET進行了許多重要的工作，以協助下一代ITER的設計和建造，該專案正在法國建造。經過30多年的成功運營，JET為人類聚變研究提供了許多知識。

現在在法國南部，有35個國家正在合作建造世界上有史以來最大的託卡馬克裝置，它的名字也叫作國際熱核實驗堆ITER，ITER將是第一個長時間保持核聚變效果的裝置，這也許是人類在最近幾年最接近核聚變成果的時刻。另外，ITER還需要測試商業核聚變所必需的整合技術，材料和物理機制，這將是第一次大規模嘗試。

ITER結構示意圖

託卡馬克裝置是有了，相關的技術也不能停滯不前，目前託卡馬克可控核聚變實驗的難點就在這些等離子體身上，這些等離子體的行為很難控制。剛才說到必須要克服原子核的正電荷斥力才能讓原子核聚合在一起，而這實際上只能透過非常高的溫度才能實現。

為了讓氫原子核融合，科學家們需要找到方法來克服正電荷離子的斥力，最後科學家們利用託卡馬克把太陽核心溫度（約1500萬攝氏度）提高几個數量級，以至於物質只能以等離子體狀態存在，在這種狀態下，電子會脫離原子核，更方便其融合。不過等離子體是出了名的“調皮”，它非常不穩定且難以控制。在託卡馬克實驗期間，科學家們發現這些等離子體會飄到能量場邊緣，在那裡它會迅速消散。核聚變的大部分問題都圍繞著等離子體：如何加熱和控制等離子體，讓它們乖乖聚合。

重約1250噸的Cyrostat結構，它將被安裝到ITER託卡馬克上方，其本質是一個散熱器保護結構

如此高的溫度，託卡馬克反應室的壁是不是會融化呢，那麼這些實驗等離子體就會暴露在外部環境，因此，對於託卡馬克來說安全性非常重要。另外建造託卡馬克的材料不僅不能熔化，還需要在高溫下具有足夠低的蒸汽壓，以避免汙染等離子體。條條大路通羅馬，其實我們一直提到的託卡馬克的原理是磁約束等離子機制，科學家們還有新的方法，名為慣性約束聚變。

NSTX託卡馬克中產生的託卡馬克等離子體柱

慣性約束託卡馬克——超級計算機的加持

長期以來，科學家們一直認為，在創造穩定且能量密集的等離子體場時，其規模是越大越好。但隨著超級計算機和複雜建模技術的不斷髮展，科學家們正在解開更多有關等離子體行為的謎團，並開發出在沒有託卡馬克情況下分析等離子體行為的新方法。

德克薩斯大學聚變研究所的物理學家Wendell Horton使用了Stamped超級計算機來模擬託卡馬克內等離子體的行為。“我們的計算規模不斷擴大，資料不斷增加，我們還在三維和時間上對等離子體資料進行建模。現在我們的資料比託卡馬克探針系統所得到的資料還要準確詳細，這些資料可以幫助我們更好的改進實體託卡馬克裝置。”Wendell Horton說到。

ITER將是世界上最大的託卡馬克，內圈實驗半徑為6。2米，等離子體能量場的體積為840立方米

超級計算機的資料結果為不同規模的託卡馬克設計提供了依據，這其實就是複雜建模技術，科學家們們現在甚至可以模擬30億光年範圍內宇宙中的所有物質，更不用說模擬等離子體的行為了。不光是模擬等離子體，美國一家名為TAE的公司利用超級計算機資料設計了一種託卡馬克裝置，他們的設計是利用磁場反轉結構來產生一個漩渦狀的等離子體環，他們設計的託卡馬克沒有使用氘和tri，而是向氫硼燃料中注入高能中性氫粒子束，迫使其反應併產生電離氦核。

產生的熱量將透過傳統的熱轉換系統轉換成電能，這樣的話一個完整的核聚變反應設施就完成了。另外氫硼燃料這意味著初級反應不會產生破壞性的中子輻射，不過缺點是這種設施需要非常高的溫度，大約需要30億攝氏度。TAE還與Google合作，採用了一種核聚變人工智慧模型演算法來分析等離子體行為資料，並將這些變數組合起來，為核聚變環境創造最理想的條件。

德國的Wendelstein 7-X恆星式託卡馬克，這是一種比較小眾的託卡馬克形式，迴圈性帶式的託卡馬克裝置可以更有效率的維持核聚變反應

磁化靶託卡馬克——“舊技術新用”

超級計算機，人工智慧以及資料模型幫了科學家很大的忙，接下來我們說到的第三種方法叫做磁化靶核聚變技術，這個方法也與超級計算機息息相關。它工作的原理就是將脈衝磁約束等離子體燃料注入到一個充滿熔融鉛鋰混合材料的球體中，圍繞在反應堆周圍的活塞結構會讓衝擊波轟擊中心，壓縮燃料，迫使粒子發生聚變反應，由此產生的熱量可以被液態金屬吸收，並被用來產生蒸汽，使渦輪機旋轉併發電。

這是一種磁化靶託卡馬克，其原理就是將等離子體脈衝注入熔融鉛鋰混合材料的球體中

其實第三種方法和磁約束託卡馬克設施的工作原理正好相反，因為託卡馬克的實驗環境是一個相對低密度的較大的等離子體能量場，而這種方法是想要製造出一個密度極高的小尺寸等離子體，然後用衝擊波轟擊。因為磁場非常密集而且很小，所以核聚變哪怕只能維持一毫秒也能有能量反應。這其實不是新方法，在上世紀70年代，美國海軍研究實驗室想用這種機制觸發核聚變，但是實驗失敗了，很大程度上是當時他們無法精確控制衝擊波的時間。而現在，加拿大溫哥華的一家公司已經開發出新演算法和高度精確的控制系統來微調衝擊波的速度和時間。

對於核聚變，有一種說法是“核聚變的夢想有多長，笑話持續的時間就有多長”，其實想要實現核聚變確實很難，但是正因如此才值得全世界科學家和科學機構的共同努力。從1958年第一個託卡馬克的誕生開始，人類就一直在進行核聚變方面的研究，現在我們看到的核聚變研究正在從區域性區域化轉變，未來全球共研將是主流，ITER就是最好的事例，去年，ITER的研發工作也已經超過了三分之二，這是不錯的進度。

上方為磁約束託卡馬克裝置示意圖，左下為慣性約束託卡馬克原理示意圖，右下為磁化靶託卡馬克裝置示意圖

這是全人類的問題

氣候問題，人口問題，資源問題等等，我在思考這是地球給人類出的難題還是人類自作自受，不過可以確定的是，想要解決所有問題，這兩個方法非常重要，一是實現商用核聚變，二是實現多星球文明，未來的人類不會只在地球生活。其實我總在想，什麼是未來科學，什麼是能夠影響未來人類的科學，思來想去，核聚變確實是未來人類科學前進舉足輕重的一個領域。

託卡馬克不止一個，人類實現核聚變的方法也不止一種。無限清潔能源，這個理由足以讓全人類共同協作開發，從這裡我也看到了科學合作的重要性，未來也會有更多國家加入到核聚變研究行列。時間擁有記憶，本文將與你我共同期待商用核聚變的到來。

這是美國宇航局設計的核裂變核聚變結合使用的推進器，該系統能達到15kw/kg和30000秒的ISP。該推進器核聚變方面的設計主要集中在磁約束聚變和慣性約束聚變上，而磁約束聚變包含低密度穩態等離子體。裂變過程加熱聚變等離子體，增加聚變反應速率，然後聚變產物加強了裂變反應，這些過程可以相互促進其反應速度