这篇文章的作者是马修·霍尔， 来自澳大利亚国立大学和伊戈尔·布雷， 从科廷大学,最初由对话。这是他们关于核的未来的全球系列的一部分，您可以阅读该系列的其余部分这里。
是太阳和恒星的动力——通过氢和氦等轻元素结合在一起释放大量能量。 如果如果直接在地球上利用，它可以产生取之不尽用之不竭的清洁电力，以海水为主要燃料，不排放温室气体，没有扩散风险，也没有发生灾难性事故的风险。 放射性废物的含量非常低，而且是间接的，由发电厂堆芯的中子活化产生。 以目前的技术，聚变发电厂可以在关闭后 100 年内完全回收利用。
今天的核电站利用核能- 铀、钍和钚等重元素的原子核分裂成较轻的“子”核。 这个过程在不稳定元素中自发发生，可以用来发电，但它也会产生长寿命的放射性废物。
为什么我们还不使用安全、清洁的核聚变能源？ 尽管聚变研究取得了重大进展，但为什么我们物理学家以怀疑的态度对待毫无根据的“突破”主张？ 简而言之，实现维持反应的条件非常困难。 但如果现在正在建设的实验取得成功，我们可以乐观地认为核聚变发电可以在一代人的时间内成为现实。
融合过程
与裂变不同，原子核不会自发地发生聚变：原子核带正电，必须克服巨大的静电斥力，然后它们才能足够接近，从而使将原子核结合在一起的强核力发挥作用。
在自然界中，恒星的巨大引力足够强大，恒星核心的温度、密度和体积足以让原子核通过静电势垒的“量子隧道效应”进行融合。 在实验室中，量子隧道速率太低，因此只能通过使燃料核变得异常热（比太阳核心热六到七倍）来克服障碍。
即使是最容易引发的聚变反应（氢同位素氘和氚结合形成氦和高能中子）也需要约 1.2 亿摄氏度的温度。 在如此极端的温度下，燃料原子破裂成其组成电子和原子核，形成过热等离子体。
将等离子体保持在一个地方足够长的时间以使原子核融合在一起并不是一件容易的事。 在实验室中，等离子体被由超导体线圈产生的强磁场所限制，该磁场形成了一个甜甜圈形状的“磁瓶”，等离子体被困在其中。
聚变发电厂示意图。 图片由 JET-EFDA 出版物版权所有 Euratom 提供，作者提供
今天的等离子体实验，例如欧洲联合环面可以将等离子体限制在净功率增益所需的温度，但等离子体密度和能量限制时间（等离子体冷却时间的度量）太低，等离子体无法自加热。 但正在取得进展——今天的实验在温度、等离子体密度和约束时间方面的聚变性能比 40 年前的实验好 1000 倍。 我们已经对如何将事情推进下一步有了一个很好的想法。
政权更迭
这ITER反应堆目前正在法国南部卡达拉什建设，将探索“燃烧等离子体状态”，其中聚变反应受限产物产生的等离子体加热超过外部加热功率。 在接近连续运行时，ITER 的总功率增益将是外部加热功率的五倍以上，并且在短时间运行时将接近 10-30 倍。
耗资超过 200 亿美元，并由七国集团和联盟，ITER 是地球上最大的科学项目。 其目的是展示将聚变能用于发电等和平目的的科学和技术可行性。
工程和物理挑战是巨大的。 ITER将拥有5特斯拉的磁场强度（地球磁场的10万倍）和6米的装置半径，限制840立方米的等离子体（奥林匹克游泳池的三分之一）。 它重 23,000 吨，包含 100,000 公里长的铌锡超导线。 铌锡在 4.5K（约负 269 摄氏度）时具有超导性，因此整个机器将浸入由液氦冷却的冰箱中，以保持超导线仅比绝对零高几度。
ITER 的剖面图。 对于比例，请注意反应堆堆芯下方的人。 ITER 组织，作者提供
ITER 预计将于 2020 年开始产生第一批等离子体。但燃烧等离子体实验要到 2027 年才会开始。巨大的挑战之一将是看看这些自给自足的等离子体是否确实可以在不损坏地球的情况下产生和维持。面向等离子体的壁或高热通量“偏滤器”目标。
我们从建造和运营 ITER 中获得的信息将为未来聚变发电厂的设计提供信息，最终目标是使该技术用于商业发电。 目前看来，第一座原型发电厂将在 2030 年代建成，发电量可能约为 1 吉瓦。
虽然第一代发电厂其规模可能与 ITER 类似，希望磁约束和控制的改进将导致更紧凑的新一代发电厂。 同样，发电厂的成本将低于 ITER：推断发电厂的长期模型表明，核聚变可能是经济的，对环境的影响也很小。
因此，虽然核聚变的挑战很大，但回报也将是巨大的。 我们所要做的就是让它发挥作用。
本文是《对话》关于核能未来的全球系列文章的一部分。 您可以阅读该系列的其余部分这里。
