从理想出发——聚变工程实践
聚变这个大方向定了，那么下一个问题是，用什么元素进行聚变呢？氢或氢的同位素？还是像流浪地球里那样用氧或硅？
其实，按照目前人类的技术水平，选择什么元素，主要取决于反应发生的概率或者说难度，其次科学家会考虑单次放出的能量大小，以及该元素的储量或获取的难易程度。简单说，先考虑“行不行”，再考虑“好不好”。
通过理论分析和试验验证，科学家们发现氢同位素氘氚聚变反应发生的概率最大，可以说是人类最容易实现的聚变反应，并且，单次氘氚聚变释放的能量达17.6兆电子伏，能量密度足够高。考虑到氘氚的原子量远小于铀等易裂变元素，单位重量下放出的能量是远大于后者的。因此，科学家选用氘氚聚变反应作为可控核聚变的首要研究方向。
接下来，我们需要找到聚变反应发生的条件。从理论上来说，只要反应物（原子核）速度足够快（或者说动能足够高），原子核靠得足够近，聚变反应就有可能发生。
因此科学家们就直接地想到，能否利用加速器来满足聚变反应要求的速度呢？通过定向加速的方式，将原子核加速到10千电子伏的能量，理论上就可以发生聚变反应。但在实践中发现，加速后的原子核极易发生散射，核聚变发生的概率只有一千万分之一，这个代价太大了，是一个“入不敷出”的方法。
那如果把定向加速改为不定向加速，原子核碰撞的概率会不会增大呢？而微观上的不定向加速，就是宏观上常说的——加热。于是，把参与对撞的原子核装起来并加热，这就是热核聚变。
这样，热核聚变的核心任务是“装下”和“加热”氘氚燃料。要“加热”到什么程度呢？燃料聚变所需要的温度是以千万摄氏度为单位的高温，极限温度甚至要达到一亿摄氏度。这又带来一个“小问题”，人类已知的熔点最高的材料为五碳化四钽铪（Ta4HfC5），其熔点只有4215摄氏度，远远达不到要求。所以说，全世界没有一种材料做成的容器能够“装下”聚变中的核燃料。
但“幸运”的是，有些摸不到的“材料”是不怕热的，一个是“光”，一个是“磁”。前者是用激光约束使高温核燃料悬浮；后者是利用核燃料形成的等离子体的带电特性，用磁力使其悬浮。而靠磁约束实现这种悬浮的魔法装置，叫做托卡马克（Tokamak）。
Tokamak的名字来源于环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka）。这种环形装置，最初是由位于莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明。具体来说，托卡马克装置是一种利用磁力约束来实现受控核聚变的环形容器，它通过两个方向的磁场线叠加，生成螺旋状磁场线的“笼子”，让核燃料悬在空心的环中。
库尔恰托夫研究所（库尔恰托夫国家研究中心官网）
世界上第一个托卡马克装置“TO-1”（RT官网）
有了托卡马克，构建核聚变所使用的等离子体就“在理论上”简单了很多，之所以要说“在理论上”，是因为可以想象，那些悬浮的燃料并不能非常均匀稳定地发热，而温度变化又会影响附近导体的电阻，进而影响使核燃料悬浮的磁场。再加上新燃料注入、热能导出时都会发生扰动，实现的难度可想而知。也正因为如此巨大的难度，在20世纪中后叶，核聚变研究起步不久时，科学家们预测“还有50年”可以实现可控核聚变的商业利用，几十年后今天的预测依然是“还有50年实现”，被核能行业戏称为“永远的50年”。
戏称归戏称，探索“终极能源”的路，再难也要有人走。
1990年，全球首个球形托卡马克装置START（Small Tight Aspect Ratio Tokamak）在英国建成。1991年，START装置使用磁重联方法，将两个等离子体环通过压缩合并为一个等离子体环。两个等离子体环的合并是通过微秒级的超快速磁重联发生的，几乎是在实时调整对悬浮的等离子体核燃料的作用力，同时产生大量热能以加热等离子体。
START装置示意图（论文The small tight aspect ratio tokamak experiment）(https://www.daowen.com)
由英国原子能管理局（UKAEA）运营的兆安球形托卡马克装置（Mega Amp Spherical Tokamak，MAST）及其升级版MAST-U（Mega Amp Spherical Tokamak Upgrade）也运用了磁重联方法。同样作为球形托卡马克装置，它们的磁约束时间更长，等离子体稳定性也更强。
和上面几种球形托卡马克相比，“甜甜圈”形状的托卡马克似乎知名度更高一些。欧洲联合核聚变实验装置（JET）同样由UKAEA运营，它也是现阶段世界上最大的托卡马克。
MAST-U剖面图与内部结构图（UKAEA官网）
欧洲联合核聚变实验装置（JET）及其内部结构图（UKAEA官网、欧洲核聚变研发创新联盟官网）
在神话故事中，人类曾共同建设可以通天的“巴别塔”。如今，神话故事照进了现实，中国、欧盟（通过欧洲原子能共同体EURATOM）、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国正在共同努力，建设一座国际热核聚变实验堆（ITER，International Thermonuclear Experimental Reactor），建成时间预计为21世纪中叶。
巧合的是，ITER在拉丁语中的意思是“路”，也给这个有史以来全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一做出了颇有深意的诠释。
2023年5月11日建设中的国际热核聚变实验堆（ITER）
全超导核聚变实验装置EAST（中科院合肥物质科学研究院英文官网）
当然，最难走的路上，往往不乏中国人的身影。2021年，中科院合肥物质科学研究院开发的全超导核聚变实验装置EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）创造了世界新纪录——成功实现了1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，2023年4月，又成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒，走在了世界前列。
不要小看这几十几百秒，要知道太阳表面的温度也不过6000摄氏度，太阳中心的温度也不过1500万摄氏度，只是我们实验温度的十分之一。虽然这些聚变过程的持续时间还只能以“秒”为单位，但正是这一秒一秒的积累，人类踩出了可控核聚变实现的希望之路。
“自从远古以来，我们的祖先就有‘夸父逐日’的梦想。今天，我们把聚变研究变成工程实践的第一步。”中国工程院院士、等离子体物理学家李建刚如是说，“我相信中国聚变人一定会与世界各地的同行一起，共同点亮聚变的第一盏灯。”
目前，为了维持这以秒计的等离子运行，需要消耗大量的能源，还是个“赔本买卖”。而经过测算，可控聚变电厂的产出投入比可能达到30倍，远大于目前主流核电厂的10倍左右的产出投入比，其前景可见一斑。回到本章的主题，虽然随着技术的发展，“人类终极能源”的桂冠在未来有可能让贤，但可控核聚变，毫无争议是目前人类能够触碰到的最高端能源，也一定是未来核动力火箭的必经之路。那么真的迈过了可控核聚变的门槛后，核动力火箭还有可能发展出怎样的类型？
