聚變能的潛力巨大，不僅能提供穩定的能源，還能避免溫室氣體排放和放射性廢物的產生。在追求清潔能源的道路上，國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)項目展示了科學界如何通過合作來應對全球挑戰。位于法國的ITER正在探索利用氫同位素氘和氚的聚變來生成能量，這一過程不依賴鏈式反應，且不會產生溫室氣體或高放射性廢物。面對這一宏大而復雜的項目，我們能否在未來的數十年內實現商用聚變能?

核聚變有望成為未來的又一綠色能源，既不會產生溫室氣體，也不會產生長壽命裂變產物或高放射性元素。

位于法國的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)是一項長期跨國合作科研項目，共有34個國家參與，但至少要到2027年其中的等離子體才能達到聚變反應的條件。

ITER所使用的裝置稱為托卡馬克(tokamak)，能產生強磁場，并以極高溫度(約1億攝氏度)長時間維持相對較高的輕離子密度。

對于合作國家而言，ITER項目的重要性不可忽視，因為它是唯一能夠全方位驗證聚變能相關設想的平臺。

所有參與該項目的國家都在積極研發，力求在本世紀下半葉實現聚變能的供給。

有眾多初創企業甚至個人在科研中發揮了重要作用，標志著聚變能領域的逐漸成熟。

十余年來，位于法國卡達拉舍的國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)持續推進相關實驗，已取得顯著成果。然而，這是一項需要歷經數十年才有望取得突破的項目。在聚變科學中，最主要的挑戰在于創造并維持溫度高達1.5億攝氏度的等離子體(一種包含帶電粒子的介質)，讓聚變反應得以延續。

等離子體，被譽為“物質的第四種狀態”(繼固態、液態和氣態之后)，常被形象地描述為“電子和離子的混合物”。這種狀態在宇宙中并不罕見，在極光、大氣電離層中就有等離子體的存在：當太陽風粒子撞擊高層大氣，輻射會將電子從原子或分子中剝離，引發電離現象。電離層作為一種稀薄且部分電離的介質，其內部的電子具有高能量，然而離子、原子、分子卻保持低溫狀態，這正是等離子體獨特的集體效應在起作用。

另一種顯著不同的等離子體存在于太陽或其他恒星的中心，那里的物質完全電離并達到上千萬攝氏度。在這樣的環境下，氫等輕元素能夠通過聚變形成更重的原子。聚變過程需要大量的能量輸入，但其產生的能量更為巨大。我們所說的“聚變能”，正是試圖在實驗室環境中重現這一自然過程。

01 ITER：前沿核聚變反應堆

ITER項目通過聚變氫的同位素氘和氚形成氦，并釋放能量。過程中使用的關鍵裝置名為托卡馬克(tokamak)，這是一個源自俄語的縮寫，意為“帶磁線圈的環形腔室”。托卡馬克裝置最初由蘇聯在20世紀50至60年代研發，利用磁場的力量將帶電粒子約束在等離子體中。

ITER作為一個實驗性的反應堆，共有34個國家參與研發，代表了前所未有的國際科研合作。該設施位于法國馬賽北部的卡達拉舍地區，以50年來的理論研究為基礎，其核心是一個巨大的托卡馬克裝置，高度接近30米，現已進入核聚變的示范階段。

“ITER作為一個實驗性的反應堆，共有34個國家參與研發，代表了前所未有的國際科研合作，以50年來的理論研究為基礎，現已進入核聚變的示范階段。”

要實現聚變，原子核必須以足夠高的速度和頻率進行碰撞，以克服庫侖排斥力，從而保證聚變持續進行。為此，托卡馬克需在極端高溫(約達1億攝氏度)下長時間維持相對較高的輕離子密度。

重原子裂變過程中，反應產物本身會觸發更多的反應(既鏈式反應)。但聚變并不依賴任何媒介(如裂變反應里的中子)，不會發生鏈式反應，不存在失控的風險，故更有實際應用價值。除此之外，聚變既不會產生溫室氣體，也不會產生長壽命裂變產物或高放射性元素。盡管反應堆內的材料會被活化，但其半衰期相對較短。值得一提的是，聚變燃料來源豐富，例如，每立方米的水中就含有33克氘，可通過電解法輕松提取。同時，氚可以在聚變反應堆中通過鋰來產生，而鋰在地球上的儲量也相當充足。

02 強磁場的“粒子牢籠”

由于常規材料制成的容器無法承受熱核條件(1.5億攝氏度)下的等離子體，因此需要借助強磁場(強度在5到10T量級)約束粒子，防止等離子體的帶電粒子碰壁損失。托卡馬克裝置采用了三個線圈系統，構建出一個環形的“磁場籠”，能夠有效地約束帶電粒子，并讓其在腔室內循環。這是目前最可行的方案。

在引發聚變反應方面，目前存在幾種等離子體加熱方式：首先是射頻加熱(即微波加熱);其次是碰撞加熱;最后是通過加速器注入高能氫離子。然而，當前的挑戰在于如何將高能離子中性化，使其能夠順利進入托卡馬克裝置，畢竟托卡馬克是一個“籠子”，無論進還是出都不容易。

要將等離子體維持在高溫以持續劇變反應，關鍵在于確保其“穩定性”。等離子體在高溫狀態下極易變得不穩定，可能會產生湍流，進而破壞熱力學平衡，導致離子在容器壁上損失。太陽表面出現日珥，將粒子以太陽風的形式噴射到地球，原理是類似的。

圖片來源：PI France

ITER裝置之所以設計為較大的尺寸，原因在于湍流所引發的攪動會加劇等離子體在磁場方向上的碰撞擴散。大大小小的渦流會攪動等離子體，有利于溫度較高的核心區域與溫度較低的邊緣區域發生混合。為了維持等離子體核心的熱量穩定，就需要增設更多的絕緣層。當前，我們致力于研發適用于極端環境條件的觀測工具，旨在深入理解并模擬這些復雜現象，從而優化對湍流的控制策略。

03 除了托卡馬克之外，還有哪些技術能約束等離子體?

還有德國馬克斯·普朗克研究所研發的“仿星器”等。有些理論宣稱能夠通過低科技設備達到磁場約束的效果，但都是無稽之談。

不同的磁約束技術之間的差異在于產生復雜磁場的具體機制。仿星器通過高度復雜的線圈直接并持續地生成磁場。而托卡馬克裝置則是通過線圈產生的磁場與等離子體電流自身產生的磁場的疊加來實現磁約束。在ITER中，這種等離子體電流呈脈沖性，脈沖周期十分鐘左右。目前很難說哪種磁約束裝置最有效，需要綜合考慮多個因素，包括設備的尺寸、經濟可行性等。

04 ITER：久久為功

盡管ITER項目在20世紀80年代中期就已啟動，但預計至少要到2027年，其中的等離子體才能達到聚變反應的條件。然而，所有參與該項目的國家都在積極研發，力求在本世紀下半葉實現聚變能的供給。近期，歐洲最大的托卡馬克裝置JET創造了新的聚變能記錄，成功在真實的氘氚靶等離子體中產生了59MJ的能量。同時，采用高溫超導體的托卡馬克線圈已能產生高達20T的強磁場，這為制造尺寸更小、效率更高、成本更低的設備奠定了基礎。這些進步中，有越來越多的初創企業甚至個人在其中發揮了重要作用，標志著聚變能領域的逐漸成熟。對于合作國家而言，ITER項目的重要性依然不可忽視，因為它是唯一能夠全方位驗證聚變能相關設想的平臺。