磁约束聚变最有望发电

一是重力约束。这里说的就是太阳。在其巨大的质量和体积下，即便没有特别变态的高温（太阳有一千多万摄氏度），也能靠引力来确保聚变粒子的密度和约束时间，从而实现连续而稳定地释放聚变能。可惜，这种方案也只有太阳这么大块头才能办到，在地球上是实现不了的。

二是惯性约束。基本原理是用极高功率的激光或其他高能粒子束，轰击装有聚变原料氘和氚的小球。这些激光的功率可达5亿兆瓦（1兆瓦=1000千瓦），相当于美国所有电站峰值功率的500倍，使小球在纳秒量级的时间内被加热到几亿摄氏度。因为惯性作用，里面的粒子还来不及飞散出去就已经发生了聚变反应，也叫“靶丸聚变”。这方面最前沿的进展就是美国的国家点火装置（NIF）和中国的神光系列装置。美国对这种聚变装置的期望是：当聚变输出的能量超过为引发反应而输入能量的10～100倍，就值得实行了。这种方案最大的不足是，每次核聚变反应的持续时间只有一瞬，能量的输出不连续，打一发（激光）就要装一次弹药（小球）。虽说瞬间功率大、能量收益率高，但总的能量输出却很少。要想作为能源，NIF的激光发射频率需要达到每秒10次，而目前的水平是不到5小时才发射一次。

三是磁约束。顾名思义，就是用磁场来充当约束等离子体的虚拟容器。由于磁场不是实体，所以不存在耐热耐压的问题。为了管好等离子态的聚变原料，基于这套方案设计的装置千奇百怪，其中最流行的一种叫做托卡马克的装置。

商业化聚变能或在本世纪实现 

“托卡马克”这个词，是由俄语“环形、真空室、磁、线圈”的词头组成，说白了就是个很像游泳圈的环形磁容器装置。装置的中央是一个环形真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候，托卡马克的内部会产生巨大的螺旋形磁场，以上千万安培的大电流将其中的等离子体加热到极高的温度，以达到核聚变的条件。相比惯性约束，托卡马克装置可以连续输出能量，符合发电对细水长流的要求，并且目前也能做到能量的产出大于投入。

过去，托卡马克用铜做的线圈来产生磁场。由于磁场必须强大，相应地就需要极大的电流。这样，线圈因为存在电阻而产生大量的热，不仅是一种浪费，还可能将材料、设备烧毁。后来，人们又改用超导材料（几乎零电阻）制作线圈，解决了电阻消耗能量过大和散热问题。2016年11月2日，中国科学院合肥物质科学研究院的托卡马克装置EAST（“实验性先进超导托卡马克”的缩写），获得了超过60秒的稳态高约束模等离子体放电，成为世界首个持续时间达到分钟量级的托卡马克核聚变实验装置。

托卡马克装置还有一个国际合作的大项目——国际热核实验反应堆（ITER），是20世纪80年代中期，由美、法等国发起的，希望借助多方力量，利用具有电站规模的实验堆证明氘氚等离子体的受控点火和持续燃烧，验证聚变反应堆系统的工程可行性，并实现稳态运行。这个团队由包括中国在内的30多个国家的科研人员组成，是目前世界上最大的科学合作工程。

经过一番唇枪舌剑和政治博弈，ITER场址最终落户核电占比最大的法国，2008年进入实地建造阶段。它占地180公顷，共由39栋建筑组成，实验堆主体直径28米，高30米，聚变功率达50万千瓦，相当于中型核裂变反应堆的水平。国际核聚变界对ITER计划及其后聚变能源发展比较普遍的看法是，建造和运行ITER的科学和工程技术基础已经具备，再经过示范堆、商业聚变核电站（商用堆）两个阶段，聚变能商业化将在本世纪中叶或者稍晚实现。

美国国家点火装置（NIF）的激光靶室，192束高功率激光能把聚变燃料在几纳秒的时间内加热到上亿摄氏度，从而引发核聚变反应。

可控核聚变

“永远的30年”魔咒

不过，计划赶不上变化的情况太普遍了。托卡马克装置现阶段的聚变功力，仍然只是入门水平，还有很多重要的“经脉”“穴道”没有打通。线圈所用的超导材料，造价极高不说，还必须得在接近绝对零度的超低温下才能保持超导性，为此就需要一套相当精密的制冷系统，相当于“房间内是上亿摄氏度，而墙壁只有零下270摄氏度”的场景。等离子体稳态运行方面进步虽快，但区区几分钟的持续输出时间，远远不足以用来发电。至于“自持”这个更高境界，即反应堆不需要长时间注入大量能量就可以维持聚变反应这一块，各国都没多大进展，所以整体上还停留在要算计产出的能量能否回本的阶段。

此外，对于ITER这样一个具有划时代意义的国际大工程，参与国家众多也是把双刃剑，既能聚全球精锐之师，也时有出于利益、投资等问题的扯皮和延期的事件发生，带来了技术攻坚之外的变数。按当前计划，ITER装置预计2019年基本建成，2027年开展氘-氚聚变实验，这比此前计划的建成时间推迟了4年。

在重重难题之下，可控核聚变的研究有个“永远在30年后”的笑话，说的是核聚变每一项技术突破，几乎都伴随着“30年后实现聚变发电商用化”的美好预言，却从来没有应验过。由于投入巨大，回报又没谱，加上裂变能的利用越来越成熟，许多资本都转向了其他看得见成就和收益的科研领域。但对核聚变持积极态度的科学家认为，核聚变这棵科技树的果子格外好吃，种植难度大也在情理之中，花多长时间结出果子都是值得的。而一旦成功，对能源领域甚至整个人类文明，都将是脱胎换骨的巨大提升。　　 （季纾纬对本文亦有贡献）