核聚變是驅動恆星的引擎，許多人認為這是能源技術的“聖盃”。一個正常運轉的聚變反應堆可以無限期、安全和無危險地為世界提供幾乎無限的能源。不幸的是，這項技術仍然是科幻小說的素材。這讓許多讀者不禁要問，“什麼是核聚變，人造聚變反應堆是如何工作的”？

裂變與聚變

在我們進入聚變之前，我們先來談談裂變。核裂變與核聚變相反，它是分裂原子的過程。當原子分裂時，無論是通過放射性衰變（放射性）還是通過核連鎖反應（核彈），它們都會釋放出大量的能量和電離輻射。核電站利用這種裂變能為全世界11%的人口提供電力。

聚變是將兩個或多個原子結合起來創造新東西的過程。當兩個質量比鐵低的原子核發生這種情況時，這個過程會產生大量的能量。當原子核與比鐵重的質量結合時，它實際上消耗能量。後者是對恆星的死刑判決，當一顆恆星開始在其核心熔合鐵時，它就要變成超新星了。

現在，我們只討論前者，融合能產生能量的較輕的原子核。這些較輕的原子核的行為可能與我們的直覺相反。當我們試圖把兩件事推到一起時，這需要工作和精力去做。當我們試圖將原子融合在一起時，它們實際上想在原子足夠接近後粘在一起。當兩個原子粘在一起並融合成新的東西時，它們釋放出大量的能量。

在核聚變之後，實際上需要一點能量才能把它們維持在融合狀態。不幸的是，由於氫原子具有相同的電荷，所以當它們彼此靠近時，就會相互排斥。這有點像迷你高爾夫——如果你想把球放在一個陡峭的斜坡上的洞裡，要把球挪到洞附近需要一點功夫。但一旦球越過了洞的邊緣，它就會立即下沉並彈入原位，它“回家”。這要歸功於強大的核力，它能使原子“粘在一起”。

更大、更重的原子的工作方式有點不同。它們只是勉強保持在一起，絲毫的擾動都會使它們碎裂並導致能量釋放。這就是我們所說的放射性，這種效應用來加熱水，形成蒸汽可以驅動渦輪機，為核電站發電。

兩種融合方式

核聚變研究已經進行了幾十年。雖然進展緩慢，但近年來取得了一些令人振奮的進展。雖然實現核聚變的方法有近十幾種，但目前有兩種設計處於領先地位，最有希望獲得成功。它們是慣性約束聚變和磁約束聚變。

慣性約束融合

描述慣性約束聚變的一種俗語稱為激光聚變。這是一個名副其實的描述，因為這正是它的本質。幾十個世界上最強大的激光被激發，然後在系統中被放大，然後聚焦到一個小目標上。目標通常是一（10毫克）氘 - 氚小球。激光以這樣的力量、速度和能量撞擊，壓縮顆粒並在其有時間通過傳統方法使其自身破裂之前立即加熱。這個過程發生得太快（在10^(-11）到1010^(-9

）秒之間），以至於離子被自己的慣性卡住，這就是慣性約束聚變這個名字的由來。

一旦氘 - 氚小球達到一定的壓力和溫度，就會實現“點火”。“點火”是指小球開始連鎖反應的過程，這種連鎖反應導致物質開始熔化，從而產生大量的能量。一個10毫克的氘 - 氚小球實現聚變，相當於燃燒一整桶石油。

小球本身是氘和氚的一對一混合物，氘 - 氚都是氫的同位素。全球氘的供應實際上是無限的，它可以從各種形式的水中蒸餾出來，每升海水中含有33毫克的氘。另一方面，氚確難以獲得，它是一種快速衰變的氫元素，在自然界中極其罕見。全球氚的總供應量約為45磅。幸運的是，它可以在核聚變過程中產生。當中子撞擊聚變反應堆包層壁中的鋰時，它被“繁殖”。任何未來的大規模商業化ICF聚變反應堆計劃，都必須包括培育自己的氚。

雖然實驗性的激光聚變確實能實現“點火”，但問題是從中獲得的能量比你投入的能量要多。激光所需的能量相當可觀，而對於加利福尼亞州的美國國家“點火”設施（NIF），他們需要將產量提高100倍，才能達到收支平衡。另一個問題是小球本身；如果激光擊中小球，而小球沒有被均勻地壓縮和加熱，不僅會有顯著降低能量增益的風險，還有可能根本無法實現“點火”。

磁阻融合

磁約束聚變比激光聚變更奇特。實現聚變的過程是使用強磁場來擠壓、加熱和控制過熱的等離子體。等離子體在環形反應器中循環，其中附加的加熱等離子體的方法也在輔助加熱等離子。 電流也流過等離子體，在某些情況下，還會發生微波，中性束注入和射頻加熱。 目的是使等離子體儘可能熱以引發聚變，溫度需要達到或超過1.5億攝氏度。

在這兩種類型的聚變系統中，磁約束被認為是更成熟的技術，可能是第一種實現核聚變淨能量增益的技術。然而，它也不是沒有自己的挑戰。為了達到自我維持聚變所需的溫度，必須精確控制等離子體。這是一個技術難題，因為過熱的等離子體難以控制。想要控制它，就像把水放在手掌裡，然後把它塑造成某種東西。水要麼從你的手上漏出來，要麼立即失去形狀，形成雜亂無章的水坑。將等離子體保持在你想要的位置，如何使用它，並防止它接觸反應堆壁，是物理學家面臨的最大挑戰之一。

等離子體中的雜質和電流或磁場中的不穩定性也會對物體造成干擾，從而阻止聚變的發生。核聚變反應堆壁也有中子損傷的危險，聚變導致中子轟擊反應堆壁，並導致金屬變弱、變脆並最終腐爛。這有利於氚的“繁殖”，但對本來就很脆弱反應堆壁卻不利。

聚變能有什麼好處？

正如我們在這篇文章的開頭提到的，聚變力有潛力為我們提供幾乎無限的能量。然而，好處並不止於其止。除了能源生產外，為反應堆提供動力所需的燃料量很小，這些燃料可以從海水中蒸餾獲得。聚變反應堆產生的輻射也比我們生活在地球上所經歷的自然背景輻射少。

世界上近70%的能源來自燃燒煤炭、石油和天然氣。由於核聚變不涉及燃燒，所有的汙染空氣源和廢物幾乎會在一夜之間消失。儘管核聚變反應堆有一些核廢料，但與典型裂變反應堆在其使用壽命內產生的廢料量相比，微不足道。核聚變產生的高風險廢物也不是高水平，也不是武器級材料。核聚變僅產生少量放射性廢物，且只在大約50年內保持著危險的放射性，因此處置問題就不那麼令人擔憂。也沒有導致放射性爆炸釋放（如切爾諾貝利）的熔燬風險。這是因為聚變使用的燃料量很小，不可能發生失控反應， 燃料在進行其他操作之前會自行燃燒。

核聚變能力的另一個好處是，它可用於星際太空旅行。

冷聚變？

據推測，冷聚變是一種核反應，可能會在室溫附近發生。過去幾十年來，有那麼幾個人聲稱實現了“冷聚變”，但到目前為止，還沒有人能夠用自己的設備在自己的實驗室再現“冷聚變”。實現冷聚變的可能性很小的原因之一是庫侖勢壘。在恆星的核心和我們的實驗聚變反應堆中，由於施加了巨大的熱和壓力，這個屏障很容易被克服。沒有這些極端環境，持續的核聚變是不可能的。

為了擺脫該術語的負面烙印，那些繼續研究該聚變領域的人更喜歡使用術語“低能核反應”（LENR）。 目前，冷聚變與永動機屬於同一類科學。在歐洲核子研究中心工作的物理學家道格拉斯·R·O·莫里森，把冷聚變稱為病理科學的一個例子。這個詞是1953年諾貝爾化學獎得主歐文·蘭繆爾創造的。他用病理科學這個詞來形容一個研究領域，在這個領域的大多數科學家放棄它後很長一段時間內卻沒有“消失”，還有個別人在堅持研究。