核聚變?nèi)剂蟻?lái)源豐富,，可能提供一種清潔、環(huán)保且本質(zhì)上安全的能源,。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,，磁約束聚變能源研究正由理論走向?qū)嵺`，接近聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和建造規(guī)劃的新時(shí)代,。在最新發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR）的文章中,，郭后揚(yáng)博士等對(duì)開(kāi)發(fā)核聚變能源的創(chuàng)新方式進(jìn)行了剖析，并討論如何利用物理學(xué)與技術(shù)方面的最新進(jìn)展,，協(xié)同推動(dòng),、加快聚變能發(fā)展,，并降低其開(kāi)發(fā)成本,。

文章認(rèn)為,，磁約束核聚變能源研究是沿著兩條途徑進(jìn)行的（上圖）：

01

先進(jìn)的磁約束方式

依靠環(huán)形磁場(chǎng)系統(tǒng)來(lái)提高等離子體的穩(wěn)定性,，包括托卡馬（Tokamak）,、仿星器（Stellarator）和反場(chǎng)箍縮（RFP）等。該途徑以托卡馬克為主線,，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）正在建設(shè)之中,，許多國(guó)際參與者也都緊跟ITER，建設(shè)下一步聚變能研發(fā)裝置,，如中國(guó)的聚變工程試驗(yàn)堆（CFETR）和歐盟的核聚變能示范堆等,。

這條路徑的問(wèn)題在于裝置規(guī)模過(guò)大，所需建造和運(yùn)營(yíng)成本過(guò)高,。所以,，如何降低成本，并使磁約束系統(tǒng)高效且緊湊是該途徑面臨的首要工程挑戰(zhàn),。

02

簡(jiǎn)化的磁約束方式

指沒(méi)有環(huán)形場(chǎng)線圈的較簡(jiǎn)單磁約束系統(tǒng),，包括場(chǎng)反位形（FRC）、球馬克（Spheromak）,，以及磁約束和慣性約束相結(jié)合的磁慣性約束系統(tǒng)（MIF）等,。

對(duì)于這條路徑，主要挑戰(zhàn)不在工程,，而在物理,。相比于托卡馬克或仿星器，該途徑還不夠成熟，需要進(jìn)行進(jìn)一步的基礎(chǔ)物理研究,，以顯著提升高溫等離子體的約束性能。而一旦實(shí)現(xiàn)物理上的突破,，則可能直接建造出經(jīng)濟(jì)型核聚變反應(yīng)堆,。目前，這種高科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)的方法主要由Tri Alpha Energy,、Lockheed Martin,、General Fusion等私營(yíng)企業(yè)推動(dòng)。

更進(jìn)一步,，文章從物理和技術(shù)兩個(gè)方面探討了各種磁約束方式尚待解決的核心科學(xué)問(wèn)題及其面臨的挑戰(zhàn),，以及可能的突破性發(fā)展方向。對(duì)于主線為托卡馬克的途徑,，新的物理理解可能使ITER實(shí)現(xiàn)和維持更高的核聚變性能,，再加上高強(qiáng)磁場(chǎng)，有可能以更小的尺寸和成本獲得高聚變功率密度,。仿星器研究也取得了令人振奮的進(jìn)展,，獲得了高達(dá)～1億度的高溫等離子體。對(duì)于較簡(jiǎn)單的另類(lèi)磁約束系統(tǒng),，物理還不太成熟,，需要重大突破才能達(dá)到與托卡馬克類(lèi)似的技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）。

此外,，許多變革性的新技術(shù)也有助于加速核聚變能的發(fā)展,。其中包括人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)、高溫超導(dǎo)體,、先進(jìn)材料及其制造,、新型射頻電流驅(qū)動(dòng)，以及氚燃料循環(huán)控制的新技術(shù)等,。在未來(lái)幾十年中,，這些物理與技術(shù)創(chuàng)新的融合將為加速聚變能源發(fā)展,、降低其成本帶來(lái)巨大的希望,。