几个世纪以来，人类梦寐以求的 利用太阳的力量 在地球上激发我们的生活。 但我们想要超越收集太阳能，有一天从迷你太阳中产生我们自己的。 如果我们能够解决一系列极其复杂的科学和工程问题，那么聚变能就能够保证 绿色，安全，无限的能量来源。 从刚才 每天从水中提取一千克氘 可能会有足够的电力为成千上万的家庭供电。
自从1950，科学和工程研究了 取得了巨大的进展 迫使氢原子在自持反应中融合在一起 - 以及a 小但可证明的数量 的聚变能量。 怀疑论者和支持者都一样 注意剩下的两个最重要的挑战：长时间保持反应，并设计一个材料结构来利用电力的聚变能力。
作为融合研究人员 Princeton等离子体物理实验室，我们现实地知道，第一座商业聚变发电厂至少还有25年。 但是，本世纪下半叶才能获得超额收益，这意味着我们必须继续努力。 融合的可行性的主要论证可以在更早的时候完成，而且必须这样，才能将聚变能力纳入到我们能源未来的规划中。
与其他形式的发电不同，如太阳能，天然气和核裂变，融合不能缩小，只能放大。 实验步骤很大，需要时间来构建。 但是，丰富的清洁能源问题将是一个问题 主要呼吁人类 为下个世纪和以后。 不充分利用这个最有前途的能源是十分鲁莽的。
为什么聚变能力？
在熔合中，氢原子的两个核（氘和氚同位素） 融合在一起。 这样做相对困难：两个核都带正电荷，因此相互排斥。 只有当它们碰撞时它们的速度非常快，它们才会一起粉碎，融合，从而释放出我们以后的能量。
这在阳光下自然发生。 在地球上，我们使用强大的磁铁来遏制氘核和氚核和电子的炽热气体。 这种充满热量的气体被称为等离子体。
等离子体非常热 - 超过100百万摄氏度 - 带正电荷的核移动得足够快，以克服它们的电排斥和熔合。 当核融合时，它们形成两个高能粒子 - 一个α粒子（氦原子的核）和一个中子。
将等离子体加热到如此高的温度需要大量的能量 - 必须在融合开始之前将其放入反应器中。 但一旦融合，融合就有可能产生足够的能量来维持自身的热量，使我们能够吸收多余的热量转化为可用的电力。
聚变能源燃料丰富。 氘在水中充足，反应堆本身可以 从锂做氚。 而且它对所有国家都是可用的，大多独立于当地的自然资源。
融合力量是干净的。 它不排放温室气体，只产生氦气和中子。
这是安全的。 有 没有可能发生失控的反应，就像核裂变“崩溃”一样。相反，如果有任何故障，等离子冷却，并且聚变反应停止。
所有这些属性都有数十年的研究动机，并随着时间的推移变得更具吸引力。 但是积极的一面是融合的重大科学挑战。
迄今为止的进展
融合的进展可以用两种方法来衡量。 首先是对高温等离子体基本认识的巨大进步。 科学家不得不开发一个新的物理学领域 - 等离子物理 - 设想将等离子体限制在强磁场中的方法，然后发展加热，稳定，控制湍流的能力，并测量超热等离子体的性质。
相关技术也有了长足的进步。 我们有 推动了磁铁的边界，电磁波源和粒子束来 包含并加热等离子体。 我们也开发了这样的技术 材料可以承受强烈的热量 的血浆在当前的实验。
很容易传达跟踪融合商业化进程的实用指标。 其中最主要的是实验室产生的聚变能：融合发电从1970s的毫瓦级升级到10的XNUMX兆瓦级（普林斯顿等离子体物理实验室）和 16兆瓦一秒钟 （在英格兰的联合欧洲圆环中）在1990中。
研究的新篇章
现在国际科学界正在团结一致，在法国建立一个大规模的融合研究机构。 叫 国际热核实验堆 （拉丁语为“这种方式”），这个工厂一次将产生大约八分钟的500兆瓦热力聚变功率。 如果这种力量转化为电力，它可以为150,000家庭提供动力。 作为一个实验，它将使我们能够测试关键的科学和工程问题，为准备不断发挥功能的聚变发电厂做准备。
ITER采用的设计称为“托卡马克，“原来是俄文的缩写。 它包括一个甜甜圈状的等离子体，局限在一个非常强大的磁场中，这部分是由等离子体中流动的电流产生的。
虽然它被设计成一个研究项目，而不是打算成为电能的净生产者，但是ITER将生产10倍于融合能量的50兆瓦来加热等离子体。 这是一个巨大的科学步骤，创造了第一个“燃烧等离子，“其中用于加热等离子体的大部分能量来自聚变反应本身。
ITER支持 代表世界一半人口的政府：中国，欧盟，印度，日本，俄罗斯，韩国和美国。这是一个关于聚变能的需要和承诺的强有力的国际声明。
前进的道路
从这里开始，融合力的剩余路径有两个组成部分。 首先，我们必须继续研究托卡马克。 这意味着推进物理学和工程学，使我们可以维持等离子体稳定状态数月。 我们将需要开发能够承受相当于太阳表面热通量五分之一长时间热量的材料。 而且我们必须开发覆盖反应堆堆芯的材料来吸收中子并产生氚。
融合途径中的第二个组成部分是开发增强融合吸引力的想法。 四个这样的想法是：
1）使用计算机，在物理和工程的约束条件下优化聚变反应堆设计。 除了人类可以计算的东西外， 扭曲的甜甜圈形状 非常稳定，可以自动运行数月。 他们在融合业务中被称为“stellarators”。
2）开发新的高温超导磁体，可以做得更强，更小 今天最好。 这将使我们能够建造更小，更便宜的聚变反应堆。
3）使用液体金属而不是固体作为等离子体周围的材料。 液态金属不会破裂，为周围的材料接触等离子体时可能的行为提供了一个可能的解决方案。
4）包含甜甜圈形等离子体的建筑系统 在中心没有洞，形成一个 等离子体形状几乎像一个球体。 这些方法中的一些还可以用较弱的磁场来运行。 这些“紧凑的托里“和”低场“的方法也提供了减小尺寸和成本的可能性。
政府资助的研究计划 世界各地正在研究这两个组成部分的元素 - 并将导致有利于所有聚变能量方法的发现（以及我们对宇宙和工业中的等离子体的理解）。 在过去的10到15年间， 私人出资的公司也加入了这个行列特别是在寻找紧凑的环面和低场的突破方面。 进步即将来临，它将带来丰富，清洁，安全的能源。
关于作者
普林斯顿等离子体物理实验室前任主任，天体物理学教授斯图尔特·普拉格（Stewart Prager） 普林斯顿大学 普林斯顿等离子体物理实验室研究副主任Michael C. Zarnstorff， 普林斯顿大学
[编者按：这是一个 警告消息 关于聚变能。]
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