现在，你可能感觉不到，但你现在正在做的事情，比如你正在看这篇文章，以及窗外的一切，都是由核聚变提供动力的，因为核聚变驱动着太阳，而太阳又驱动着地球上的一切。假设你离得太阳足够近就可以看到它的核心，氢原子结合成了氦原子，在这个过程中会释放出大量的能量。核聚变除了不断帮助太阳核心加热外，太阳核聚变还产生了很多太阳活动，太阳活动粒子在1.5亿千米的星际空间中流动，影响着地球。这么说的话，未来能源其实就在我们的眼前。
现在人类科学家可以制造一台机器，在地球上复制太阳内部发生的事情，只不过没有太阳那么大的规模。理论上，科学家们只需在一端注入氢气，将其原子聚合在一起，然后从另一端回收氦就可以达成目标。在这个过程中，这个机器会产生大量的热能，我们可以用这些热能来驱动任何东西，就像传统的发电厂一样。没有污染，没有二氧化碳，也没有致命的核废料，核聚变能源将是清洁而又安全的。
大自然给予了人类很多，但是给我们的考验更多，现在，我们有很多不同的方法来制造所需的能源，比如石油，天然气，煤炭，风能，太阳能，水力，垃圾焚烧和生物能量等等。有这么多种能量还要核聚变有什么用呢？很现实，人类靠山吃山靠水吃水的日子不会太久了，未来几十年，地球会给人类出一系列现实问题。
世界人口在增加，预计到2050年将从现在的大约75亿人口增加到100亿人口左右。同时，发展中国家的人口目前使用的能源很少，随着他们生活水平的提高，在未来他们会使用更多的能源。据估计，到2050年，世界需要的能源是现在需求能源的2-3倍。目前，我们80%的能源来自石油、天然气和煤炭等化石燃料，然而这些燃料供应有限，尤其是石油和天然气正迅速枯竭。
另外当我们燃烧使用化石能源时，它们会产生二氧化碳气体。这会导致气候变化，最终我们的星球会面临全球性火灾，海平面上涨，火山问题等等。利用太阳能、风能、海洋和其他能源制造的可再生能源是解决这些问题的一个办法，但目前这些方法的效率不够高，无法产生足够大的影响，举个例子，数千个风力涡轮机的发电量只相当于一个燃煤发电厂。换句话说，如果我们能建造出和燃煤发电厂一样甚至更高效率的核聚变电站，还没有环境问题，我们就能永远解决地球的能源问题。
那么我们如何在地球上实现核聚变反应并将其大规模商用呢？梦想正在一步一步实现，目前最好的方法是使用比普通氢原子稍重的其他氢同位素，它们拥有不同的原子形式。大多数核聚变实验的基础是将氘和tri转化为氦，当两个不稳定的原子重新排列成一个稳定的原子时，会释放出大量的能量。这听起来很简单，但是做起来非常非常困难。
因为要使两个原子融合，你必须让原子核足够靠近，问题是，每个原子的原子核都有一个相对较大的正电荷，原子核离得越近所需的能量就越大。通过库伦定律我们知道，两个原子核之间距离每减去二分之一，就会增加四倍能量，这就意味着科学家们必须使用大量的能量才能使原子聚合在一起。
核聚变研究是世界上最昂贵的研究之一，通俗的讲就是连电费都付不起，也造不起托卡马克装置……不过一切总会改变，核聚变对于未来能源来说实在太重要了，未来的核聚变能源不只可以帮助地球人类解决能源问题，利用核聚变，人类甚至可以大步向太空进发，这将帮助人类成为多星球物种。现在，超高速计算、材料科学、超级计算机建模和仿真技术的进步正在帮助打破核聚变难以逾越的技术障碍，大量人才和预算也正在流入该领域。一些新的核聚变项目正在利用最新一代的超级计算机来更好地理解和控制超高温等离子体的行为。
整天梦想新能源可不行，科学家们都是实干家，科学正在不断进步，核聚变领域科学也不是单一的科学，目前科学家们正在追求核聚变科学与其他领域科学共同发展，这对于商业化核聚变能源有很重要的意义。全球国家或者个人投资者都在努力以早日实现核聚变，不过纵观所有核聚变实验，核聚变设施等，可以把地球上的核聚变实验归类为三种主要方法，这三种方法其实更像是三个方向，这将是人类实现可控核聚变的关键。
说到核聚变，大家首先就会想到托卡马克装置，强大的电磁场会把超高温等离子体限制在托卡马克的圆环形结构内，也就是说科学家们可以给托卡马克通电，然后托卡马克外圈可以利用磁力来控制核聚变所需的超高温等离子体，在超高温等离子体中，氢原子核会聚合形成氦。自20世纪60年代以来，人类已经建造了200多个功能性托卡马克，托卡马克设施是目前实现核聚变的主流，全世界很多国家或者机构都资助了托卡马克设施。
目前现存最大的托卡马克设施就是位于英国的JET托卡马克，自1983年开始运营以来，JET在核聚变科学和工程领域取得了重大进展，它的成功促成了第一台商业规模核聚变装置ITER的建造。近年来，科学家们利用JET进行了许多重要的工作，以协助下一代ITER的设计和建造，该项目正在法国建造。经过30多年的成功运营，JET为人类聚变研究提供了许多知识。
现在在法国南部，有35个国家正在合作建造世界上有史以来最大的托卡马克装置，它的名字也叫作国际热核实验堆ITER，ITER将是第一个长时间保持核聚变效果的装置，这也许是人类在最近几年最接近核聚变成果的时刻。另外，ITER还需要测试商业核聚变所必需的集成技术，材料和物理机制，这将是第一次大规模尝试。
托卡马克装置是有了，相关的技术也不能停滞不前，目前托卡马克可控核聚变实验的难点就在这些等离子体身上，这些等离子体的行为很难控制。刚才说到必须要克服原子核的正电荷斥力才能让原子核聚合在一起，而这实际上只能通过非常高的温度才能实现。
为了让氢原子核融合，科学家们需要找到方法来克服正电荷离子的斥力，最后科学家们利用托卡马克把太阳核心温度（约1500万摄氏度）提高几个数量级，以至于物质只能以等离子体状态存在，在这种状态下，电子会脱离原子核，更方便其融合。不过等离子体是出了名的“调皮”，它非常不稳定且难以控制。在托卡马克实验期间，科学家们发现这些等离子体会飘到能量场边缘，在那里它会迅速消散。核聚变的大部分问题都围绕着等离子体：如何加热和控制等离子体，让它们乖乖聚合。
如此高的温度，托卡马克反应室的壁是不是会融化呢，那么这些实验等离子体就会暴露在外部环境，因此，对于托卡马克来说安全性非常重要。另外建造托卡马克的材料不仅不能熔化，还需要在高温下具有足够低的蒸汽压，以避免污染等离子体。条条大路通罗马，其实我们一直提到的托卡马克的原理是磁约束等离子机制，科学家们还有新的方法，名为惯性约束聚变。
长期以来，科学家们一直认为，在创造稳定且能量密集的等离子体场时，其规模是越大越好。但随着超级计算机和复杂建模技术的不断发展，科学家们正在解开更多有关等离子体行为的谜团，并开发出在没有托卡马克情况下分析等离子体行为的新方法。
德克萨斯大学聚变研究所的物理学家Wendell Horton使用了Stamped超级计算机来模拟托卡马克内等离子体的行为。“我们的计算规模不断扩大，数据不断增加，我们还在三维和时间上对等离子体数据进行建模。现在我们的数据比托卡马克探针系统所得到的数据还要准确详细，这些数据可以帮助我们更好的改进实体托卡马克装置。”Wendell Horton说到。
超级计算机的数据结果为不同规模的托卡马克设计提供了依据，这其实就是复杂建模技术，科学家们们现在甚至可以模拟30亿光年范围内宇宙中的所有物质，更不用说模拟等离子体的行为了。不光是模拟等离子体，美国一家名为TAE的公司利用超级计算机数据设计了一种托卡马克装置，他们的设计是利用磁场反转结构来产生一个漩涡状的等离子体环，他们设计的托卡马克没有使用氘和tri，而是向氢硼燃料中注入高能中性氢粒子束，迫使其反应并产生电离氦核。
产生的热量将通过传统的热转换系统转换成电能，这样的话一个完整的核聚变反应设施就完成了。另外氢硼燃料这意味着初级反应不会产生破坏性的中子辐射，不过缺点是这种设施需要非常高的温度，大约需要30亿摄氏度。TAE还与Google合作，采用了一种核聚变人工智能模型算法来分析等离子体行为数据，并将这些变量组合起来，为核聚变环境创造最理想的条件。
超级计算机，人工智能以及数据模型帮了科学家很大的忙，接下来我们说到的第三种方法叫做磁化靶核聚变技术，这个方法也与超级计算机息息相关。它工作的原理就是将脉冲磁约束等离子体燃料注入到一个充满熔融铅锂混合材料的球体中，围绕在反应堆周围的活塞结构会让冲击波轰击中心，压缩燃料，迫使粒子发生聚变反应，由此产生的热量可以被液态金属吸收，并被用来产生蒸汽，使涡轮机旋转并发电。
其实第三种方法和磁约束托卡马克设施的工作原理正好相反，因为托卡马克的实验环境是一个相对低密度的较大的等离子体能量场，而这种方法是想要制造出一个密度极高的小尺寸等离子体，然后用冲击波轰击。因为磁场非常密集而且很小，所以核聚变哪怕只能维持一毫秒也能有能量反应。这其实不是新方法，在上世纪70年代，美国海军研究实验室想用这种机制触发核聚变，但是实验失败了，很大程度上是当时他们无法精确控制冲击波的时间。而现在，加拿大温哥华的一家公司已经开发出新算法和高度精确的控制系统来微调冲击波的速度和时间。
对于核聚变，有一种说法是“核聚变的梦想有多长，笑话持续的时间就有多长”，其实想要实现核聚变确实很难，但是正因如此才值得全世界科学家和科学机构的共同努力。从1958年第一个托卡马克的诞生开始，人类就一直在进行核聚变方面的研究，现在我们看到的核聚变研究正在从局部区域化转变，未来全球共研将是主流，ITER就是最好的事例，去年，ITER的研发工作也已经超过了三分之二，这是不错的进度。
气候问题，人口问题，资源问题等等，我在思考这是地球给人类出的难题还是人类自作自受，不过可以确定的是，想要解决所有问题，这两个方法非常重要，一是实现商用核聚变，二是实现多星球文明，未来的人类不会只在地球生活。其实我总在想，什么是未来科学，什么是能够影响未来人类的科学，思来想去，核聚变确实是未来人类科学前进举足轻重的一个领域。
托卡马克不止一个，人类实现核聚变的方法也不止一种。无限清洁能源，这个理由足以让全人类共同协作开发，从这里我也看到了科学合作的重要性，未来也会有更多国家加入到核聚变研究行列。时间拥有记忆，本文将与你我共同期待商用核聚变的到来。
这是美国宇航局设计的核裂变核聚变结合使用的推进器，该系统能达到15kw/kg和30000秒的ISP。该推进器核聚变方面的设计主要集中在磁约束聚变和惯性约束聚变上，而磁约束聚变包含低密度稳态等离子体。裂变过程加热聚变等离子体，增加聚变反应速率，然后聚变产物加强了裂变反应，这些过程可以相互促进其反应速度
什么是人类未来能源的终极解决方案之一
答案是肯定的!否则，世界就不会在30年内投资数十亿美元来研究它。因此，让我们言归正传，带你了解受控核聚变。我们知道，太阳孕育了地球上的生命，并为我们提供了取之不尽的能源。所有这些能量都来自于太阳内部发生的核聚变反应。尽管太阳很 "年轻"，但在当今这个资源匮乏的时代，人们一想到不可再生资源即将耗尽，就感到不安，于是就有了复制太阳的想法。自上个世纪以来，人类通过制造强大的氢弹，尝到了核聚变原理的 "甜头"。科学家们于是开始思考，如果控制核聚变为人类所用，它将成为未来世界的一种新能源，永久解决人类社会的能源和环境问题。
核聚变的原理,核聚变是一种核反应，即两个较轻的原子核结合在一起，形成一个较重的原子核和一个极轻的原子核（或粒子）。众所周知，氢有三种同位素--氕（H）、氘（2H/D）和氚（3H/T），这其中氕是最常见的一种，占99.985%。它们三个之间的主要区别是中子的数量（分别为0、1、2）。氘和氚是氢弹的主要反应物，它们可以融合在一起，产生一个氦核和一个中子。
1905年，26岁的天才物理学家爱因斯坦发表了六篇论文，涵盖了现代物理学的三项伟大成就：分子的动力学理论、狭义相对论和光的量子假说。而在其中一篇中，爱因斯坦展示了质量和能量可以互换的观点，即质能方程。这里的c是一个固定值，是10的3.0次方的八分之一，E是能量，也就是能量不足乘以C的平方就是释放的能量，我们可以想象。有人说，这个原理是基于质能方程的，为什么不是核裂变？首先，核裂变所需的铀和其他材料在地球上非常有限，而核聚变所需的氘和氚却可以直接从水中提取。其次，核裂变反应具有极强的放射性，安全风险极大，一旦泄露后果不堪设想。最后，整体效益不高。为了控制裂变，由于大量的冷却设备，反应释放的热量被浪费了，而且核聚变的产量也比裂变高。
那么，要怎样才能使核聚变变得可控呢？为了实现核聚变，你需要高温和高压来把电子从原子核上拉开，并且需要高压来使氘核和氚核更有可能粉碎在一起。第二，如果你想 "可控"，你想保持能量流动，而不是像氢弹那样一次性释放能量。
核聚变是人类未来能源的终极解决方案之一。
1、核聚变的基本原理
核聚变是指将轻元素（如氢）在极高温度和极高压力下融合成重元素，释放出巨大能量的过程。核聚变产生的能量源自于质量的转化，与核裂变不同，核聚变是可控的、可持续的能源反应。
2、核聚变的优势和挑战
核聚变具有多个优势：燃料广泛、资源丰富（氢在海水中以及其他天然物质中均可获取）；能量密度极高，产生的能量远超目前使用的能源形式；反应产物无放射性，对环境污染小。然而，实现核聚变需要超高温度和压力条件，控制核聚变反应的稳定性和可持续性仍然是挑战。
3、国际研究与合作
为了推动核聚变技术的发展，国际社会展开了广泛的研究与合作。最著名的核聚变研究项目是国际热核聚变实验堆（ITER）项目，由35个国家和欧盟组成的联合体共同参与。ITER旨在建造一个大型的聚变反应堆，通过可控的聚变反应验证核聚变技术的可行性。
4、超导磁体技术的应用
核聚变研究中重要的技术之一是超导磁体技术。超导磁体是用于产生强磁场的关键设备，它可以靠近零电阻状态而无损耗地传导电流，提供强大的磁场支持，使聚变等离子体保持在稳定状态。
5、聚变能源的挑战和前景
实现核聚变产生可用的商业化电力仍面临一些技术和经济挑战。但是，随着技术的进步和持续的研究投入，聚变能源仍被认为是未来能源的终极解决方案之一。核聚变不仅可以解决能源需求，还具有可持续性和环境友好性。
不同的核聚变反应：人类目前主要研究的是氘-氚聚变反应，其中氘和氚是氢同位素。此外，还有氘-氘聚变和氦-3聚变等反应也在研究中。