你有没有想过，在1.5亿公里的距离外，太阳是如何温暖你甚至灼伤你的皮肤的?答案相对简单。核聚变是如此强大，以至于在如此遥远的距离，你都能感觉到它从太阳核心释放出的能量。
1920年阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)提出，氢与氦的聚变可能是[1]的关键机制，人类为理解这个让太阳持续燃烧的过程所做的努力由此开始。另一位天才欧内斯特·卢瑟福，在实验室里实现了氘与氦的聚变反应，从而确定了[2]反应释放的巨大能量。
也许最著名的大只500注册组合优化问题是旅行推销员的问题。该问题要求找到销售人员可以通过的多个城市的最短路径，从同一城市开始和结束。“巨大”可以从字面上理解——核反应在每个反应中释放的能量通常是化学反应的100万倍，例如燃烧。目前核聚变技术的主要资源是氘，它自然存在于海水(0.033 g/l)和锂，以矿物/岩层的形式存在于地壳中。锂是用来孕育氘的反应伙伴，即氚。从这个角度来看，一个典型的笔记本电脑电池中锂元素和半浴缸水中的氘元素通过聚变获得的电量，相当于燃烧40吨煤[3]所获得的电量。
恒星融合的秘诀
在制造两个轻原子核融合并获得释放的能量的道路上有一个巨大的障碍——库仑定律。这描述了带电粒子如何根据它们之间的距离相互吸引或排斥。因为我们想要融合原子核，原子核总是带着正电荷，当它们相互靠近时，它们会更强烈地互相排斥。克服这种所谓的库仑势垒的方法是迫使原子核以极高的速度碰撞。原子尺度上的速度只不过是温度。
一个反应所释放的能量，仍然不足以为一座城市提供能量，更不用说为一颗恒星提供能量了。因此，还有一个重要的量，即碰撞率或碰撞概率。如果原子核在高温下穿过稠密的原子核海，那么碰撞率也相应很高，在一定的时间内会发生许多反应。
总而言之，像我们的太阳这样的恒星，其核心温度高达1500万开尔文[4]，加上巨大的压力，约为地球大气压力的2650亿倍，从而实现了核聚变。这个温度和粒子密度的乘积，与压力成正比，在一定的时间内足够大，达到显著的聚变反应速率。
只是模仿恒星的核心，没什么大不了的，对吧?
我们能意识到地球上太阳核心的情况吗?对于温度和压强，我们可以，只是不能同时在很长一段时间内。在实现融合所需的条件下，有两条路结晶了。
第一种是利用脉冲激光产生的冲击波，即惯性约束聚变[5]，产生巨大的压力和温度。惯性约束聚变的概念离净能量产生还很遥远，因为激光系统在最大能量输出为1.8兆焦耳的情况下，最大能量消耗约为500太瓦。相比之下，融合能量增益只有15 kJ左右，占输入能量的0.8%。当然，我们的目标是产生一个显著高于输入能量的量。实验室的原型是一台金牌大只注册Ising机器，它是一种基于物理模型的计算机，该计算机描述了一个磁铁网络，每个磁铁都具有只能向上或向下指向的磁性“自旋”方向。
另一种达到聚变所需条件的途径叫做磁约束聚变。在这个路径中，温度和时间周期是焦点。在磁约束装置中所需和达到的粒子温度是太阳核心的10倍。这是因为磁约束聚变装置通常是在真空条件下，在反应室内[7]的压力为5×10-6 mbar。
现在想象一个比太阳核心还热的东西，它与石头、金属、耐火陶瓷或任何其他已知物质接触。完全正确，它会蒸发。这就是为什么这些极热的粒子受到强大的磁场的限制，所以它们实际上不会碰到任何墙壁。
技术上最成熟的磁约束聚变概念是托卡马克(tokamak)反应室，它是一个环形的反应室，内有两种磁线圈约束热粒子，即等离子体。这是苏联物理学家在20世纪50年代发明的。
环形磁场线圈将等离子体粒子的运动轨迹压缩到反应腔的内腔，并通过感应原理将中心螺线管放电，将电流引入等离子体。为了防止粒子在有限体积外缓慢漂移，必须引入电流来扭转粒子的运动轨迹。
等离子体的加热是通过中性粒子束注入和射频加热[8]实现的。目前世界纪录的聚变能量输出相对于输入能量是由欧洲联合环(射流)在1997年达到约60%的[9]。
另一个更优雅，但技术上不太成熟的磁融合约束概念是星状加速器架构。在星状器中，通过用复杂的三维形状线圈[11]代替简单的环形磁场线圈，消除了对中心磁场线圈的需求。
stellarator架构的可行性目前正在德国格赖夫斯瓦尔德的Wendelstein 7-X工厂进行研究。恒星加速器在技术上还不够成熟，因为它们不是为氘-氚聚变反应而设计的，因为它们首先需要证明磁约束足以进一步研究这一概念。
从海水和岩石到你的电源插座
正如你所看到的，我们至少已经非常接近托卡马克结构的能量输出与输入的平衡。然而，对于一个向电网供电的聚变发电厂来说，要实现经济上的可行性，需要投入几到十倍的能量。
为了证明这是可能的，实验聚变反应堆ITER(拉丁文“道路”)目前正在法国建造。它的第一次等离子放电计划在2025年，全功率阶段预计在10年后。ITER接近一座电站规模的反应堆，其能量输出为500mw[12]。
现在你可能会想:苏联科学家在20世纪50年代发明了这个概念，为什么要用半个多世纪才能实现核聚变的净能量增益呢?特别是，自从核裂变被用于向电网输送能量以来，托卡马克的概念就在同一时期被发明出来。让我告诉你——保守地说1.5亿开尔文的等离子是一个高度非线性系统。
其中，等离子体参数(密度、温度)或磁场结构的任何改变都会对其他特性产生不利影响，例如反应室壁上的热沉积剖面。等离子体物理学家、材料科学家和工程师携手合作，以解决所有控制聚变作为能源需求的挑战。
最近的一些技术突破，比如超导体，使得更强的磁场可以更好地约束粒子。然而，强约束只是这个谜团的一部分。
聚变反应产生的热量和氦灰需要被提取出来。使用氦灰这个术语是因为氘和氚会融合形成氦核，而氦核在等离子体中没有进一步的用途，需要被移除，以便腾出空间让新的氘和氚发生反应。
“我们可以证明应变是由于晶粒取向而积累的，这是金牌大只注册信息研究人员可以用来改进钙钛矿的合成和制造工艺的方法，从而以最小的应变实现更好的太阳能电池，从而由于非辐射复合而产生的热量损失也最小。”电站规模的聚变反应堆排热是其中的关键问题之一，给材料科学家和工程师带来了巨大的挑战。只有具有极高的熔点、高导热性和对高能粒子轰击的鲁棒性的材料才适合这种应用。
当最终实现时，核聚变将为未来几个世纪的可持续和清洁能源经济做出贡献。