和平利用核能是人类的梦想，像太阳那样利用核聚变能发电，一直都是世界各国科学家们梦寐以求的目标。
大年初一上映的科幻大片《流浪地球》，再一次将核聚变的话题带进了公众关注的焦点：太阳的“氦闪”是怎么回事？可控核聚变距离我们到底有多远？人类真的可以在不远的将来做到用烧石头来进行“重核聚变发电”吗？
《流浪地球》海报，下方浦东的高楼说明“重元素核聚变”将在不久实现
我们的太阳每时每刻每分每秒都在发生着核聚变，它每秒钟把6亿吨的氢聚变成了氦，同时有400万吨的物质被转变成了光和热。50亿年后，当太阳将它所有的氢都挥霍殆尽时，它会在接下来的10亿年间变身为一个直径比今天大200倍、亮度为现在几千倍的红巨星并吞噬地球轨道。
“氦闪”会在太阳吞没地球之后发生
紧接着太阳内部巨大的热量和压力会将它中心的氦在几分钟内压成碳，这相当于每秒钟要把4个地球质量的氦进行融合。聚变反应是如此地剧烈，以致于太阳的光芒将瞬间照亮整个银河系，这就是“氦闪”。氦闪过后，太阳失去了近一半的质量，它渐渐熄灭，并最终变成一颗白矮星。
太阳氦闪就是一次剧烈的核聚变
相比于氦闪这样“最后的疯狂”，太阳平时的核聚变则显得“温和”许多。因为太阳深处有超过3000亿个大气压的巨大压力，它只需要1500万度的高温就可以轻易地把氢原子们挤压在一起，让它们在变成氦原子的同时释放能量。
氢的聚变过程
都说“强扭的瓜不甜”，但为了得到核聚变时释放出的巨大能量，科学家们还是想方设法地促成氢原子的结合。
玩过磁铁的人都知道，要想把两块极性相同的磁铁捏在一起是需要很费一番力气的。同样，要想让两个携带正电荷的原子核相互接近也是一件极困难的事，这种原子核间相互排斥的静电力被称为“库伦势垒”，而只要克服了这个能垒让两个原子核足够地接近，它们之间的“核力”就会起作用，互相融合聚变成一个新原子核。
原子核间的相互作用力
氢原子的原子核只有一个带正电的质子，它的能垒在所有元素中是最低的，因此为了实现氢原子的核聚变所需要消耗的能量也最小。即便如此，在太阳内部也需要有3000亿个大气压和1500万度的高温才能使氢原子们“交友”成功。地球表面没有什么可以做到如此高的压力，科学家们能做的就只有想方设法将温度升高到1亿度以上，让氢原子核们“动起来”，当原子核获得的动能量足够高之后，就可以相对容易地完成融合，同时释放更多的能量。
氘和氚的聚变将产生17.6电子伏特的能量
目前世界各国进行核聚变实验的装置很多，所采用的原理和技术也是五花八门，总体来看占主流的主要有两类，一是“惯性约束核聚变”，另一类是“磁约束核聚变”。
惯性约束核聚变装置以美国国家点火设施National Ignition Facility（NIF）为代表，它主要是利用多束强红外激光同时照射一粒填充了氘和氚低温混合物的小珠子，使它瞬间升到一个极高的温度，从而激发它产生核聚变爆炸。
这是一颗将填充氘氚混合燃料的小靶丸
NIF自1995年被提出，1997年得到美国国会11亿美元拨款开始建设，预计2003年建设完成，但经过多次延宕，工程直到2009年才算正式完成，到此为止劳伦斯利弗莫尔国家实验室已经花掉超过80亿美元。
耗资巨大的美国国家点火设施内部
尽管NIF的理念十分先进，用激光打一颗固定的靶子看起来似乎不难，但从2010年10月第一次点火试验到2012年9月底为止，美国国家点火设施的核聚变实验没有一次成功，最终不得不宣告失败，NIF结束使命。
事后美国能源部组织科学家分析原因后认为，NIF之所以失败，一方面有管理不善的因素，另一方面NIF在设计上存在硬伤，它的195束激光没办法做到在同一瞬间同时击中填充了聚变燃料的目标靶，并且有太多的光被靶丸反射了回来，导致达不到预定的温度和预想的压力。
激光照射引发聚变爆炸的过程，蓝色箭头表示激光束
相较于美国国家点火设施试图通过打爆一粒直径2毫米的氘氚小球引发11公斤TNT当量的微型核爆炸，世界各国纷纷在搞的各种托卡马克装置则要低调许多。
托卡马克磁约束装置原理图
托卡马克装置是利用强大的电磁线圈，将高温的氘氚等离子体约束在一条无形的磁性真空管道里，当这个管道里的等离子流达到1亿度以上的温度，其中的氘氚原子核便有机会聚合成一个新的氦原子核，同时释放一个中子和强大的能量。
之所以要用磁场来约束氘和氚，是因为在地球上没有太阳中心的极高压力，要促成核聚变所需要的温度实在是太高，没有任何一个容器可以承受。而利用磁场构建一个无形的笼子，让等离子体悬在半空不与容器壁接触，加上适当的散热措施，理论上可以实现几亿甚至十几亿度的高温而不用担心容器融化，这是一个天才的设想。
“仿星器”也是利用磁约束技术，中间黄色部分表示高温等离子流
目前世界各国已经在运行的托卡马克装置总共有数十座，其中有一些已经达到了可以实现核聚变反应的目标，但这些装置或多或少都存在以下几方面的问题：
一、入不敷出：能效低，聚变产生的能量远远达不到为了实现聚变供应给它的能量，而真正的核聚变是可以利用它自己产生的能量达到自持，同时产生更多的热量用于发电。
二、大量中子：无论是氘与氚融合聚变成氦-4，还是少量氘与氘融合产生氦-3，在此过程中都不可避免地会产生携带着高能量的中子。中子本身不带电，它不受磁场的约束，这些不受约束的中子就会轰击电磁线圈和管道，使周围物质产生辐射，同时加速管道脆化和老化；中子的轰击还会造成超导电磁线圈淬火，降低它的功效甚至发生异常中止。这在未来的商业运行中是不能被接受的。
携带高能量的中子轰击会对设备造成破坏
三、氚泄漏：有一部分氚会进入冷却水系统，氚有放射性具有短期潜在的危险，这也是一个需要解决的问题。
对上述问题的解决，中国走在了前面，中科院等离子体物理研究所在安徽合肥建设的全超导托卡马克装置“EAST东方超环”，目前为止EAST已经实现了1亿度高温等离子体的稳态运行，取得国际科学界公认的成就。
EAST东方超环
与世界几个主要强国一样，我们在自主进行核聚变研究的同时，也加入了超导托卡马克的国际合作，正在欧盟建设的国际热核实验反应堆计划中ITER，我们占9%份额。
ITER内部剖面示意图
ITER是个吞金巨兽，到目前为止已经花掉超过150亿美元。ITER并不是一个商业核反应堆，它的目的还是验证未来利用核聚变发电的可行性，同时探索利用托卡马克磁约束进行聚变反应的各种技术细节，这些技术将被参与到研究过程的几个国家利用到自己未来的反应堆上。
ITER托卡马克装置模型
ITER的参与方主要是欧盟（占份额45%）和中、美、俄、日、印、韩（各占9%左右），这个工程是如此庞大复杂，以致于要到2025年才可能最终投入使用。它所产生的热能不会用来发电，而是通过水蒸汽释放到大气中。
建设中的国际热核实验反应堆ITER
通过上述分析，我们可以知道，即便是利用元素周期表排名第一位的氢同位素氘和氚进行的第一代核聚变，世界各国都耗费巨资探索研究了60年的时间，至今依然没有哪个国家敢拍胸脯说他们可以利用核聚变发电了。利用氦-3进行核聚变因为所需要的温度更高难度更大，到现在没有哪个国家有能力去触碰。
目前国际上核聚变实验设施列表
也许几千年之后，人类的科技水平达到相当高的程度，我们可以做到用砂子或花岗岩来搞“重核聚变发电”，但百年之内我们能实现氦-3的核聚变就已经很了不起了。
