雖然太陽能和風能的制造成本，在不斷下降，但是在未來，傳統的清潔能源，并不一定能滿足我們的需求，而核能可能會成為至關重要的角色。它就是最近30年來，一直受人們關注的核聚變。伴隨著一種新型聚變裝置的出現，它能否改變人類的未來呢？

核聚變

獲得核能有兩種方式，一種是核裂變，另一種叫核聚變。大部分核電站，運用的都是裂變反應。簡單來說，它是將不穩定的鈾235原子，分裂成一些更小的中子碎片，這些小碎片，再去撞擊其他的鈾235原子，從而產生連鎖反應效應，整個反應會釋放出大量能量，熱量會讓水蒸發，生成的水蒸氣，可以推動渦輪機發電。

核裂變示意圖

聚變跟裂變完全相反，它是聚集而不是分裂。聚變反應跟太陽類似，卻又不完全相同。太陽是先將氫的同位素分裂，然后在天文溫度和高壓條件下，將它們融合成氦核。一般情況下，聚變反應產生的能量，是裂變產生能量的4倍，聚變反應的原料，并不是半衰期長， 放射性強的鈾或钚。它所用到的是氫的同位素。氘是自然界中的一種穩定元素，氚雖然不太穩定，但是 ，它的半衰期相對較短。所以 ，它們更安全， 也更環保。

氘和氚

相比于裂變，它們的來源更豐富， 也更便宜。因為氘是可以從海水中提取出來的。雖然自然界中，氚的含量比較少，但在聚變反應過程中，當中子跟硫等元素作用時，是可以得到氚的。

氘可以從海水中提取出來

格林沃爾德博士認為，核聚變是一種理想能源。首先 ，它的原料是不受限制的。其次 ，反應產生的能量密度非常高，只需要0.1克的氘和0.3克的鋰，就能夠為美國全國，提供整整一年的電力需求。聚變反應的另一個優勢，就是環保。核裂變會生成很多高放射性物質，如果保存不當，可能會讓地球產生幾十年的連續污染。裂變核電站也極容易發生熔毀爆炸事故，例如2011年發生的福島核電站事故，而這些事故并不會發生在托卡馬克裝置中。

核裂變產生發射性廢料

托卡馬克是一種利用磁約束，來實現受控核聚變的環形容器。它可以將氫的同位素，加熱到1.5億度，在這么高的溫度下，原子的電子被剝離變成離子，帶電粒子會相互碰撞，并融合在一起。這就跟太陽中發生的反應一樣。聚變反應相對更安全，因為把反應原料切斷后，聚變就會立刻停止，而裂變卻不行，只能眼睜睜的看著反應堆被融化掉。聚變不僅幾乎不產生廢料，它還不占用大量的土地跟水資源，這讓核聚變，成為了可再生能源的一個很好的補充。

托卡馬克裝置示意圖

盡管有著這么多優勢，但30年來，還沒有一臺功能完善的聚變動力反應堆，被制造出來，前面提到，核聚變的反應溫度是1.5億度，而我們輸入到反應堆中的能量，要比反應后得到的能量還要多。聚變能量增因子，是用來評估反應堆性能的參數，通常用q表示。當q等于1時，就說明反應堆到達了能量盈虧平衡點。而我們需要的就是q大于1。

聚變能量增因子

歐洲聯合環流器的記錄是q=0.67，而國家點火裝置，將q值提升到了0.7。大家注意，這里的q值，只考慮到設備的啟動，并沒有把運行所需要的全部能量計算在內。如果把所有的一切都計算在內的話，我們所需要的q值，應該在10-25之間。這就是為什么，科學家這么關注q值的原因，一旦突破了這個點，整體功率將向增益轉變。

核聚變裝置

2025年，國際熱核聚變實驗堆（ITER)，有望將聚變的綜合Q值提升到10以上。ITER誕生于20世紀80年代，核心的托卡馬克實驗堆，在2007年開始開工建設，一旦完成，它將成為世界上最大的聚變反應平臺。但是 想要看到這么大的反應堆運轉起來，至少要等到2035年。

建設中的ITER

那么，有沒有一種更小， 更靈活的方案呢？當然有，其中一種是磁約束核聚變，它是通過一個特殊的磁場，將氘 ，氚等原子核和自由電子，組成的處于熱核反應狀態的，超高溫等離子體束縛起來。在它的內部，發生受控制的原子聚變反應，釋放出熱量。

超導體反應堆

2021年，麻省理工學院跟CFS公司，聯合研發出了世界上第一臺，等離子體聚變設備，簡稱SPARC。它也是地球上，有史以來最強大的磁鐵之一。這臺機器使用的是一種叫，高溫超導體的材料，簡稱HTS。早在2015年，麻省理工學院就提出了，運用這種超導體材料（HTS)的設想。為了能夠產生超強磁場，新設備中的超導材料的長度，達到了276公里。在高溫環境中， 它仍然可以產生很強的磁場。HTS超導體類似于陶瓷，是一種由稀土和鋇銅氧化物，合成的一種易碎材料。

超導體材料

早在80年代，IBM的兩位科學家，在蘇黎世的一個實驗室里，就已經發現了這種高溫超導材料的雛形。幾十年來，人們并不認為它是一種工程材料，直到麻省理工學院，打破了這個傳統觀念，做出了創新。這種超導材料，不僅可以產生強大的磁場，更大的作用是節能。銅也可以產生很強的磁場，但會消耗大量能量。所以 ，這臺機器的設計目的，是以更小的單位，實現最大化的凈能量增益。

制造中的新設備

與使用低溫超導超導材料的ITER相比，這臺新機器的體積，僅僅是它的2%，這大大降低了制造成本和制造時間。在最近的一次實驗中，這臺機器產生了20特斯拉的磁場，這充分證實了，這臺等離子聚變設備背后的理論依據。經過了幾年的研究，科學家們將它的磁場強度，又增加了1倍，直接的結果是，它的發電量增加了10倍。

工作示意圖

科學家們也在對它，進行最后的完善，希望在2025年前正式運行。他們的目標是要讓SPARC將成為世界上第一臺，產生凈能量輸出的聚變裝置。而它的Q值 ，也會在10以上。整部機器的制造成本，將高達2.5億美元。如果成功，這可能會引發核聚變的革命。Sparc有著很高的功率，這意味著，反應堆核心會產生更高的熱量，高溫管理將成為一項挑戰。

制造中的設備