1. 引言
額……好吧，我們必須註意到，公眾眼裏對融合的科幻描述太多，而實際的分析太少了。這裏必須先做強調：把融合吹成無所不能一步登天的技術奇異點的線上做夢，以及那些「融合實作永遠還有五十年」的悲觀梗的廣泛傳播，實際上是一體兩面的。
無論是人類對非線性系統的理解水平，科研狗們數目有限的頭發，還是這些年經濟停滯後捉襟見肘的財政支出，都無法讓人類迅速點出那種可以使人類直接完成到卡爾達舍夫Ⅰ級文明的階躍的融合技術——事實上那是融合發電這條科技樹的終點，而不是我們這一階段的目標。
所以我會在這裏澄清一些基本概念：能被稱為「可控融合」的到底是哪些技術，而它們的分別實作又（大致上）意味著什麽。
2. 當我們提到「可控融合」時……
面向公眾的融合科普裏最著名的一本書是【瓶中的太陽】，書裏大致介紹了融合技術研究的歷史。但這本書的名字給很多沒認真看書的讀者（以及只看了一眼書名的行銷號小編）造成了誤導，讓他們誤認為我們正在研究的那個「融合能發電」和太陽核心的融合反應是一回事。而這是一個讓人哭笑不得的誤會：太陽核心的融合反應是質子-質子鏈與CNO迴圈，和現階段核工程中用到的氘氚融合間的差別仿佛天壤。
實際上被認為有實用前景的融合反應差不多能有十個，每一個反應對電漿參數的要求都各不相同。這裏我不會事無巨細地把每種融合反應的基本特性都寫出一遍，僅就通常語境下的「融合」與「可控融合」做最基礎的闡述。
2-1. 恒星中的融合
宇宙中的氫元素大部份都是質子，氘和氚的豐度都很低，所以恒星（主序星）中的核反應主要都是質子融合成氦核的反應，即
4\text{ } _1 ^1 \text{H} \rightarrow\text{ } _2 ^4 \text{He}+2e^+
不難想象，四個質子同時發生交互作用的機率是非常低的，所以真實的融合反應中一定存在更復雜的機制。主要的機制被分為兩類，即質子-質子鏈與CNO迴圈。
但即便存在額外的機制讓這個反應的發生率不會低到無法點亮夜空的程度，我們也必須註意， 這一系列質子融合反應的截面相比於核工業中常用的融合反應小得多 。因此這些牽扯到質子的融合反應通常對溫度和密度之一要求較為苛刻。做一個簡單的類比，托卡馬克中的電漿密度大約是空氣密度的數十萬分之一，而太陽核心的密度則大約是水的一百倍！
所以如果有人試圖吹捧「質子融合發電」的科幻概念，我們可以直接使用簡明扼要的回復——在21世紀做這種夢還太早了些。
2-2. 最初的一步：氘-氚融合
氘氚融合點火是現階段整個磁局限融合領域的目標，規劃中的 ITER 以及 CFETR 裝置也都是為了實作商用的氘氚融合發電而建設的裝置。具體反應是
\text{D+T}\rightarrow \text{ }_2 ^4\text{He}+\text{n}
氘氚融合反應有各種問題：氚很稀有，必須依靠核工業體系制備（事實上在氘氚融合提供足夠平價的大規模中子源之前，氚都會保持十分昂貴的價格）；維持氚自持所必須的鋰在地球上儲量有限；反應產生的快中子極難處理，如果防護不當的話還會把附近的大量裝置都活化掉 [1] ……
但這個反應依然是現階段被認為最有可能實作融合發電的融合反應，原因只有一個：它對電漿的參數要求在所有反應裏最低，因而也最容易實作。這種優勢在下圖中可以得到很好的體現
註意，圖中的反應率系數是對數座標。這就意味著氘氚反應的反應率比其它幾個被認為有被用於融合發電的潛質的反應高出了一個量級。同時，對其它幾個反應來說，哪怕只是達到氘氚融合反應率的十分之一也需要100keV左右的高溫。這兩個因素綜合起來，便要求其它反應點火時的三重積（溫度*密度*能量約束時間）比氘氚反應高出兩到三個量級。
而這個條件對現階段的電漿物理與磁約束裝置來說都是高到沒法想象的：如果將電漿密度提高一個量級，那麽在托卡馬克中將會連最基礎的磁流體穩定性都滿足不了，更別提那個迄今為止都被視為難以超越的 Greenwald 密度極限；將電漿溫度提高到 100keV 同樣也是幾乎不可能完成的任務（以後在燃燒電漿中或許有可能實作這樣的極端參數，不過現在還是別想了）；而將能量約束時間提高十倍則意味著電漿物理領域的根本性飛躍——換句話講，看起來純屬做夢。
綜合上面一堆論述，就不難解釋為什麽現階段人類對於到月球挖氦3的興趣如此之低了：雖然氘-氦3反應看起來很美好，但現階段的技術完全實作不了這種美好的融合夢想。
2-3. 真正清潔的能源：無中子融合反應
會放出大量快中子的氘氚融合反應很難說是完全清潔的：它帶來的放射性問題會是與碳排放不同的另一種麻煩。為了解決這一問題，人們提出了大量無中子融合反應用於發電的可能性，其中最有代表性的一個就是氘-氦3融合，即
\text{D}+\text{ }_2 ^3\text{He}\rightarrow \text{ }_2 ^4\text{He}+\text{p}
氘氚反應中麻煩的高能中子在此處被高能質子所取代（氘-氘的副反應依然會產生一些高能中子，不過比起氘氚反應已經少多了），而這個基本無中子的融合反應自然也就不會帶來太麻煩的放射性問題，是一個相對清潔的反應。
事實上，由於氘-氘副反應的存在，這個反應並不是真正的無中子融合反應（但它最知名，所以就在這裏作為例子列出了）。不過真正意義上的無中子融合反應也確實被提出過，主要包括下述反應
- 氦3-氦3反應： 2\text{ }^3_2 \text{He}\rightarrow 2\text{p}+\text{ }_2 ^4\text{He}
- 質子-硼11反應： \text{p}+\text{ }^{11}_5 \text{B}\rightarrow 3 \text{ }_2 ^4\text{He}
不過這兩個反應也同樣有上一部份中提到的問題：對電漿參數要求太高，想在現階段實作點火純屬做夢。
2-4. 最現實的行星級能源：氘-氘融合
在一眾相對容易實作的融合反應中，大部份反應都會對一些較為稀有的原料有硬性要求：比如氚或氦3。事實上無論是用中子-鋰反應生成氚還是去月球挖氦3都有著極高的成本和相對嚴苛的儲量限制，使得與這兩個同位素相關的融合反應根本無法滿足一個卡爾達舍夫Ⅰ型文明的需求。
如果想要真的做出行星級能源，發電用原料的豐富將會是必要的要求之一，這就使得氘-氘融合反應從大量備選反應中脫穎而出。與因半衰期過短而不在自然界中存在的氚不同，氘的豐度在自然界中高達 0.015%，可以相對容易的從海水中大量提煉。也即是說，如果日後實作了氘-氘融合反應的商用執行，那麽燃料成本將不會成為一個主要的掣肘，隨著電漿約束技術的進步，我們將會得到一個潛在的行星級能源。
3. 如果融合發電實作了……
在通常的融合科普PPT裏，引入融合能的思路一般是這樣的：環境壓力帶來對清潔能源的巨大需求，其中水電已經基本飽和，而和其它那些不怎麽靠譜的新能源相比核電要好得多。但核電有安全性與用過燃料處理 [2] 兩個巨大的短板，使其無法作為主要能源推廣，所以我們迫切需要一種「清潔的」核電——這就是融合能在人類能源科技樹上所處的位置。
搞融合的人通常比較實事求是，不會像馬斯克那樣一直吹「殖民火星」的牛皮。雖然融合能有不容忽視的成為人類所掌握的第一個行星級能源的潛質，但我們必須正視其間的各種技術困難。哪怕是從遠期規劃來講，成為一種可靠的「清潔核電」也才是第一步，至於大規模鋪開氘-氘融合以獲得行星級能源，那估計已經是下個世紀的事情了。
3-1. 普遍的限制：發電成本問題
技術開發中不存在一步登天的捷徑，哪怕劃時代的技術出現，其重要影響通常也是在後續幾十年內逐步呈現出來，而非在一夜之間帶來翻天覆地的變革。在新技術出現的初期，各項工序與上下遊產業的不成熟將使得它的成本長期居高不下，甚至需要政策補貼來維持發展。我們無法預期融合能需要多少時間走過這一階段，只能在此處簡單分析一下在此處限制融合能進一步發展的各項關鍵技術。
註意，此處的討論適用於上一部份中的大部份融合反應，並非某一反應特有的缺陷，寄希望於用新的融合反應繞過這些限制並不可行。
融合裝置主體的高成本。 在雷射約束路徑基本被NIF的悲觀結果否決的當下，磁約束路徑已經基本成為融合發電的唯一選擇，而其中最有希望的三個技術路徑是托卡馬克、球托克馬克與仿星器。其中仿星器因為形狀過於扭曲，基本所有線圈與真空室部件都需要單獨定做，這進一步意味著極高的造價。托卡馬克在此處雖然比仿星器更好，但也最佳化的有限：即便D形的超導線圈與真空室的生產成本相對更低，但對強磁場（~8T）與巨大的裝置體積（~7m）的需求同樣會把裝置的造價擡升到一個讓人皺眉的數位。球托克馬克因為裝置體積較小在此處擁有很大優勢，但也同樣無法規避下面提到的兩類問題。
中子慢化、遮蔽設施的高成本。 除非采取無中子融合反應，不然任何融合電站都需要裝備非常厚重的中子慢化層（對典型的14MeV高能中子，厚度約1m）。考慮到環形磁約束裝置的結構，在裝置縱切面上這些中子慢化層就要占去4公尺的直徑。解決這一問題的思路是建設分裂-融合混合堆，即將現階段快堆爐心中的高能中子源替換為一個融合堆。但如果不采取這種可以大規模有效利用快中子的手段，我們就必須大量建設這些主要成分為金屬鋰，厚約四米的中子慢化層，其成本之高昂可想而知。
輔助設施的高成本。 為維持高參數電漿的存在，需要大量輔助加熱以及電流驅動設施，其中包括各類高功率微波源與中性束裝置，其中任何一個都是非常昂貴的。
當然，這些上遊產業不成熟帶了的高發電成本並非無法克服。隨著技術發展，我們完全可以預期超導線圈、高功率微波源、中性束裝置等融合堆必須裝置的價格會逐漸降低，直到融合能可以依靠自身的經濟競爭力成為主流的發電方式，而後因為沒有環境壓力而被大規模鋪開。
到那時，我們才會開始考慮，融合能從一個「主流的清潔能源」到人類所掌握的第一個行星級能源之間的距離——它雖然漫長，但並非不可跨越。
3-2. 氘-氚融合：相對清潔的核電
氘-氚融合將會是人類在商業使用融合能上走出的第一步。如果 ITER 與 CFETR 的結果符合預期，那麽 DEMO 一級的商用示範堆將會在 2050 年左右逐步落成。若其間發生了一些其它方向的重要進步，ARC [3] 或 ST135 [4] 等級的商用反應爐也同樣可能取代成本過高的 DEMO 反應爐得到商用推廣。
但如同上一部份所說，這些最初期的融合裝置將有著極高的發電成本，只能靠著財政補貼勉強維持收支平衡，直到將上遊產業養出可觀的規模效應。以現階段核電計畫的造價估計，國際市場上主流的核電計畫的綜合比投資集中在 2000美元~5000美元/kW 的量級。也就是說一個 DEMO 級的 300MW [5] 反應爐若想獲得與現階段核電接近的競爭力，其綜合造價應在 60億~150億美元之間。考慮到 ITER 那 200 億歐元以上的天價，不得不說這是個非常困難的任務。
在初期的經濟困難被克服之後，氘-氚融合堆便可以被作為一種比分裂堆更清潔的核電得到推廣。此後它將會面臨的主要困難包括
氚的短缺。 半衰期只有12年的氚無法自然存在，必須透過中子-鋰反應人工制備，這一過程在融合工程中被稱為「氚再生」。兩個主要的氚再生反應是
^7\text{Li}+\text{n} \rightarrow \text{ }^4\text{He}+\text{T}+\text{n}-2.5\text{MeV}
^6\text{Li} +\text{n}\rightarrow \text{ }^4 \text{He}+\text{T}+4.8\text{MeV}
因為中子的捕獲中必定失真耗，所以必須引入大量類似第一個反應的增殖反應，才能保證獲得足量的氚供融合堆後續使用。而非常不幸的是，所有這類反應的截面都小得感人，使得設計中氚的再生率往往只能略微超過100%——這還是不考慮回收過程中的損耗時得出的估算值，而如果進一步考慮到氚氣回收的困難程度，這個數位只會更加不樂觀。
對氘-氚融合來說，氚燃料的獲取問題是一個無法解決的怪圈：作為融合發電所必須的燃料，氚的大量制取幾乎只能依靠融合堆，而融合堆的氚再生率又只能在1附近，稍微出一點問題就會跌破1，使得必須引入其它氚源補充……除非日後發現什麽新的極其高效的氚再生反應，不然這一問題便毫無得到徹底解決的希望。
放射性損傷問題。 除去鋰包層中的氚氣以外，快中子還會不可避免地破壞並部份活化真空室（所幸快中子的核融合散射截面一般較小，不會大規模地在不銹鋼真空室壁中產生放射性）。這會使得整個氘-氚融合核島中都充滿放射性，而一些關鍵部件如超導線圈，微波源等對強放射性環境的耐受能力是缺乏檢驗的，可能會造成非常麻煩的維護問題。
在這兩問題中，後一個問題可以被無人操作技術的發展與關鍵部件的魯棒性提升所逐步解決，但前一個問題是核實體層面上的硬傷，會使得氚燃料長期處於短缺狀態，直到人類獲得足以解決這一問題的高通量中子源為止。
在那之前，氘-氚融合都不大可能成為足以支持太陽系開發的行星級能源，哪怕日後真的建成了用氘-氚融合堆供電的太空城，它的氚燃料也必須節省著用才行——不然一次氚回收失敗造成的燃料損失可能就會使得整個太空城在獲得來自地球的氚補充之前一直嚴重缺電。
3-3. 氘-氦3融合：去月球挖土
在氘-氚融合技術成熟之後，我們的約束技術或許會在大量工程實踐中緩慢進步到足以實作氘-氦3融合點火的程度。這意味著比氘-氚點火高十倍的電漿溫度與密度，遠遠超過現有托卡馬克裝置能達到的理論極限。如果電漿理論不能實作一些本質性的飛躍，那麽引進一些新的磁約束模式將不得不被提上日程。總而言之，讓我們假設人類終於在某種神奇的磁約束裝置上實作了氘-氦3融合發電的商業化，那麽他們將會發現融合能的利用空間被大規模拓展了。
首先，燃料短缺問題終於有了被解決的可能。從月壤中提取氦3最初不見得比那一套復雜的氚再生工序便宜多少 [6] ，但這至少告別了那個令人抓狂的怪圈。如果當時的人類已經建立起了完善的太空工業體系，那麽穩定、易儲存的氦3將會成為方便攜帶的核燃料，使得偏遠地區的太空城不必時時擔憂一次氚回收失敗使自己陷入無電可用的窘境，與氘-氚融合相比是一次意義重大的飛躍。
至於中子問題，氘-氦3融合並沒有提供一個令人足夠滿意的解決方案。氘-氘副反應在氘-氦3融合堆中同樣會大量發生，過程中產生的快中子數量雖然沒有氘-氚融合那麽誇張，但同樣也會是一個不能忽視的數位。
不過如果人類的整體技術水平已經進步到了足以穩定維持氘-氦3點火的程度，那麽在一個氣密空間中執行一套遠端操作的無人磁約束裝置或許已經不是什麽太麻煩的問題了。
3-4. 氘-氘與質子-硼融合：行星級能源
事實上相比於以氘-氦3融合作為過渡，我認為以這兩個反應直接建設第二代融合堆相比之下要更實際一些。這兩個反應的參數要求雖然也比氘-氚反應高出兩到三個量級，但與氘-氦3反應相比提高的有限，一套能實作氘-氦3反應的約束裝置在經歷一些升級之後很可能可以直接實作氘-氘點火。
氘-氘反應仍然是一個會產生大量快中子的融合反應，這意味著裝置的建設與維護成本會保持在高位。但擺脫了氚再生需求的氘-氘融合堆與氘-氚融合堆不同，可以直接實作對快中子的妥善利用——別忘了，快中子源本身也是一項頗為珍貴的資源——它帶來的收益可以相對容易地對沖掉快中子造成的設施建設與維護成本。與此同時，氘的易獲取易儲存的特性就會使得這一融合能源相比於其它能源占據決定性優勢——此時人類才真正迎來可以大量使用低價電力時代。
而後的展開就和人類獲得其它任何行星級能源後的展開一樣了，行星級的能源總量會使得大量此前無法想象的工程成為可能。至於熱量分配這種長期被認為會成為重要掣肘的問題則看起來根本不怎麽重要：要不我們把沙漠直接融成反射鏡試試？
質子-硼融合所要求的參數比氘-氘融合略高，不過這是個貨真價實的無中子反應，意味著我們終於擺脫了麻煩的快中子問題。如果套用場景是一些無法妥善處理快中子的地方，比如太空站或者遠航探測器，質子-硼融合堆會成為比氘-氘融合堆更為優先的選擇。
4. 總結，以及對未來的預期
如果讓我寫出一個對融合能發展的遠期規劃，那麽我會給出這樣一幅圖景：
- 在近期內先實作氘-氚融合的商業使用，維持融合產業在經濟結構中的存在
- 隨後更新磁約束技術與電漿物理理論，實作氘-氚融合堆的緊湊化，逐步壓低成本，並行展氣密環境下的無人操作技術，將中子的環境影響壓到最低
- 進一步的磁約束技術發展實作氘-氘與質子-硼融合點火（由於極高的參數要求，這一步可能要走很久），人類終於獲得可靠的行星級能源
- 在工業設施較為完善，有足夠的能力處理快中子的地區，以氘-氘融合為主體提供能源；而在工業基礎尚在發展的新開拓領地，以質子-硼融合堆實作穩定的能源供給，逐步建立成卡爾達舍夫Ⅰ型文明
（全文完，感謝閱讀）
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參考
- ^ 事實上很多退休的融合裝置都被裝在負壓室裏防止放射性外泄了
- ^ 題外話：融合發電因為會產生一堆高能中子，也會生成大量放射性廢棄物，但通常卻不被視作有核廢料問題，令我懷疑核工程中的「核廢料問題」主要指的是其它國家可以從用過燃料裏直接提取出高純度鈾235作為核彈原料
- ^https://www.zhihu.com/question/423823272/answer/1504025294
- ^ 現在好像改名叫ST-E1了 https://www.tokamakenergy.co.uk/mission/
- ^ DEMO 那個 1GW 是指融合功率，不是發電功率，這裏為了計算簡單直接取轉換效率30%
- ^ 事實上很可能是價格更離譜了，10ppb的豐度意味著100噸月壤裏只能提取出1克氦3
