聚变能源，一直被视为解决未来能源危机的终极方案。近年来，随着美国国家点火装置（NIF）取得突破性进展以及私营企业如Helion的积极参与，可控核聚变再次成为热门话题。
它究竟离我们还有多远？本文邀请了上海交通大学自然科学研究院物理与天文学院副教授周耀、中科大核科学技术学院教授祝曹翔以及星奥剧变理论模拟首席科学家谢华生博士，共同探讨可控核聚变的现状与未来。
1.核聚变的基本原理和关键参数祝曹翔教授首先对核聚变的概念和原理进行了科普：核聚变是两个或多个轻原子核结合成一个或多个较重原子核的过程，在这个过程中会发生质量亏损，并根据爱因斯坦的质能方程释放出巨大的能量。以氘氚聚变为例，一个氘核和一个氚核聚变生成氦-4和中子，并释放出约17.6兆电子伏特的能量。
实现可控核聚变需要满足几个关键参数：高温、高密度和长时间的约束。高温是为了克服原子核间的库仑斥力，高密度和长时间约束是为了增加原子核发生聚变反应的概率。
这些参数共同构成了一个关键指标——聚变三重积。
祝教授介绍，聚变三重积自20世纪50年代以来一直在稳步提升，早期甚至超过了摩尔定律的发展速度。但在90年代，由于非科学因素的影响，发展速度有所放缓，大量资源被投入到国际热核聚变实验堆（ITER）项目中。
近年来，随着NIF的重启以及私营企业的加入，可控核聚变的研究再次提速。目前，可控核聚变正处于从科学可行性向工程可行性转变的关键阶段，科学家们正致力于建造聚变实验堆，以验证其工程可行性。
2.商业化之路：挑战与机遇尽管取得了一定的进展，但可控核聚变距离商业化应用还有很长一段路要走。祝教授认为，首先需要验证聚变能否如期发电，其次需要将发电成本降低到可接受的水平。
他预计到2028年，聚变发电成本仍难以达到民用电价水平。 Helion公司与OpenAI、微软达成的电力购买协议，体现了对未来清洁能源的期待，也显示了私营部门对可控核聚变领域的积极投入。
一度电一亿美元？还是一分钱？关于聚变能源的价格预测众说纷纭，甚至有人乐观地估计未来一度电的成本仅需一美分。围绕聚变能源的讨论，谢博士和周老师也提出了各自的见解。聚变能源的实现，究竟是资金问题，还是技术难题？
周传祥老师从物理角度出发，认为只要加大投入，聚变能源的实现从理论上来说是可行的。1998年托卡马克装置的实验结果已经接近临界点，只需扩大装置规模，就能提升能量增益。
然而，真正的挑战在于后续的商业化和工程实现，例如建造大型装置和实现商业化运营的难度巨大。
有人提出，既然风能、光能等可再生能源足以满足当前需求，为何还要发展聚变能源？马斯克就是一个典型的例子，他专注于太阳能的开发利用，认为太阳能足以满足人类的能源需求，因此并未投资聚变能源领域。相比之下，奥特曼、比尔·盖茨等却对聚变能源充满信心。
实际上，聚变能源并非当前的必需品，其真正的价值在于未来，例如星际航行。目前发展聚变能源，更多的是出于对未来愿景的追求。
如果聚变能源能够成功实现，其无限的原料、极高的能量密度和极低的理论成本，将彻底改变能源格局。
3.聚变能源：突破的临界点近年来，聚变能源再次成为热门话题，是因为人们看到了突破的希望。相比之下，国际热核聚变实验堆（ITER）项目进展缓慢，成本高昂，使得人们开始寻求弯道超车的可能性。
高温超导磁体技术、人工智能技术以及开源合作等因素的进步，都为聚变能源的发展提供了新的机遇。强磁场技术的进步、人工智能的精确控制以及代码开源和合作研究的推动，都加速了聚变能源研发的进程。
将聚变能源的研发与SpaceX的民营航天或人工智能领域的发展历程作比较，可以发现聚变能源目前仍处于技术成熟度的早期阶段，类似于人工智能在AlphaGo出现之前的状态。聚变能源的发展也经历了几次起伏，如同人工智能领域在50年代、70年代和90年代的几波浪潮。
目前，聚变能源正处于一个关键的节点，如同AlphaGo的出现为人工智能带来了新的突破一样，新的技术突破可能随时出现。
过去，人们普遍认为只需要找到一条可行的聚变技术路线即可。然而，聚变的核心障碍在于聚变原料本身。
不同的创业公司采用了不同的技术方案，例如黑龙眼的小型装置与其他大型装置的研发方向存在显著差异。各种技术路线的优缺点以及聚变原料的特性，都需要深入研究和探讨。
4.聚变反应类型与条件
核聚变能被视为未来清洁能源的重要发展方向，其技术的实现依赖于多方面的科学理论和技术支持，其中约束方式和能量管理尤为关键。聚变反应类型多样，各有特点，常见的包括刀川聚变、青铜聚变和刀刀聚变等。
不同类型的聚变反应所需的最佳温度也各不相同。例如，青铜聚变需要约20亿摄氏度的高温，而刀川聚变和刀刀聚变则分别需要约1-2亿摄氏度和7-8亿摄氏度。
5.聚变约束方式：重力、惯性与磁约束实现核聚变的关键在于有效约束高温高压的燃料。主要的约束方式有三种：重力约束、惯性约束和磁约束。
恒星，如太阳，依靠自身强大的引力实现重力约束，理论上可以无限期地维持聚变反应。惯性约束则利用激光等手段在极短时间内将燃料压缩至极高密度并维持适宜温度，从而快速引发聚变。
氢弹便是惯性约束的典型应用。然而，将惯性约束应用于可控核聚变仍面临诸多挑战。例如，美国国家点火装置(NIF)虽然实现了3.5兆焦的能量输出，但其发电成本远高于传统方式。磁约束被认为是最具商业化发电潜力的约束方式。
它利用强磁场控制高能粒子的运动，延长聚变反应时间，并降低对燃料密度的极端要求。目前，包括CFS（Commonwealth Fusion Systems）在内的多家研究机构正积极探索磁约束聚变技术，并获得了广泛关注和投资。尽管磁约束技术在理论上极具潜力，但也面临着能量约束和可控性等挑战。
“聚变三乘机”，即温度、密度和能量约束时间的乘积，是衡量核聚变反应效率的核心参数。全球大多数核聚变实验室和研究机构都围绕这一指标开展技术攻关。
科学家们致力于通过不同的磁场技术和配置，提升可控核聚变反应的稳定性和效率，最终实现可持续的核聚变能源。
尽管核聚变能的研发面临着巨大的挑战，包括能量输出、成本控制和工艺实现等诸多瓶颈，但它仍然是未来清洁能源的重要方向。持续深入研究磁约束和惯性约束等前沿技术，不断优化物理参数和约束方式，将有望推动核聚变能的实际应用和商业化进程。
