1. 引言
额……好吧，我们必须注意到，公众眼里对聚变的科幻描述太多，而实际的分析太少了。这里必须先做强调：把聚变吹成无所不能一步登天的技术奇点的联机做梦，以及那些「聚变实现永远还有五十年」的悲观梗的广泛传播，实际上是一体两面的。
无论是人类对非线性系统的理解水平，科研狗们数目有限的头发，还是这些年经济停滞后捉襟见肘的财政支出，都无法让人类迅速点出那种可以使人类直接完成到卡尔达舍夫Ⅰ级文明的阶跃的聚变技术——事实上那是聚变发电这条科技树的终点，而不是我们这一阶段的目标。
所以我会在这里澄清一些基本概念：能被称为「可控聚变」的到底是哪些技术，而它们的分别实现又（大致上）意味着什么。
2. 当我们提到「可控聚变」时……
面向公众的聚变科普里最著名的一本书是【瓶中的太阳】，书里大致介绍了聚变技术研究的历史。但这本书的名字给很多没认真看书的读者（以及只看了一眼书名的营销号小编）造成了误导，让他们误认为我们正在研究的那个「聚变能发电」和太阳核心的聚变反应是一回事。而这是一个让人哭笑不得的误会：太阳核心的聚变反应是质子-质子链与CNO循环，和现阶段核工程中用到的氘氚聚变间的差别仿佛天壤。
实际上被认为有实用前景的聚变反应差不多能有十个，每一个反应对等离子体参数的要求都各不相同。这里我不会事无巨细地把每种聚变反应的基本特性都写出一遍，仅就通常语境下的「聚变」与「可控聚变」做最基础的阐述。
2-1. 恒星中的聚变
宇宙中的氢元素大部分都是质子，氘和氚的丰度都很低，所以恒星（主序星）中的核反应主要都是质子聚变成氦核的反应，即
4\text{ } _1 ^1 \text{H} \rightarrow\text{ } _2 ^4 \text{He}+2e^+
不难想象，四个质子同时发生相互作用的概率是非常低的，所以真实的聚变反应中一定存在更复杂的机制。主要的机制被分为两类，即质子-质子链与CNO循环。
但即便存在额外的机制让这个反应的发生率不会低到无法点亮夜空的程度，我们也必须注意， 这一系列质子聚变反应的截面相比于核工业中常用的聚变反应小得多 。因此这些牵扯到质子的聚变反应通常对温度和密度之一要求较为苛刻。做一个简单的类比，托卡马克中的等离子体密度大约是空气密度的数十万分之一，而太阳核心的密度则大约是水的一百倍！
所以如果有人试图吹捧「质子聚变发电」的科幻概念，我们可以直接使用简明扼要的回复——在21世纪做这种梦还太早了些。
2-2. 最初的一步：氘-氚聚变
氘氚聚变点火是现阶段整个磁约束聚变领域的目标，规划中的 ITER 以及 CFETR 装置也都是为了实现商用的氘氚聚变发电而建设的装置。具体反应是
\text{D+T}\rightarrow \text{ }_2 ^4\text{He}+\text{n}
氘氚聚变反应有各种问题：氚很稀有，必须依靠核工业体系制备（事实上在氘氚聚变提供足够平价的大规模中子源之前，氚都会保持十分昂贵的价格）；维持氚自持所必须的锂在地球上储量有限；反应产生的快中子极难处理，如果防护不当的话还会把附近的大量装置都活化掉 [1] ……
但这个反应依然是现阶段被认为最有可能实现聚变发电的聚变反应，原因只有一个：它对等离子体的参数要求在所有反应里最低，因而也最容易实现。这种优势在下图中可以得到很好的体现
注意，图中的反应率系数是对数坐标。这就意味着氘氚反应的反应率比其它几个被认为有被用于聚变发电的潜质的反应高出了一个量级。同时，对其它几个反应来说，哪怕只是达到氘氚聚变反应率的十分之一也需要100keV左右的高温。这两个因素综合起来，便要求其它反应点火时的三重积（温度*密度*能量约束时间）比氘氚反应高出两到三个量级。
而这个条件对现阶段的等离子体物理与磁约束装置来说都是高到没法想象的：如果将等离子体密度提高一个量级，那么在托卡马克中将会连最基础的磁流体稳定性都满足不了，更别提那个迄今为止都被视为难以超越的 Greenwald 密度极限；将等离子体温度提高到 100keV 同样也是几乎不可能完成的任务（以后在燃烧等离子体中或许有可能实现这样的极端参数，不过现在还是别想了）；而将能量约束时间提高十倍则意味着等离子体物理领域的根本性飞跃——换句话讲，看起来纯属做梦。
综合上面一堆论述，就不难解释为什么现阶段人类对于到月球挖氦3的兴趣如此之低了：虽然氘-氦3反应看起来很美好，但现阶段的技术完全实现不了这种美好的聚变梦想。
2-3. 真正清洁的能源：无中子聚变反应
会放出大量快中子的氘氚聚变反应很难说是完全清洁的：它带来的放射性问题会是与碳排放不同的另一种麻烦。为了解决这一问题，人们提出了大量无中子聚变反应用于发电的可能性，其中最有代表性的一个就是氘-氦3聚变，即
\text{D}+\text{ }_2 ^3\text{He}\rightarrow \text{ }_2 ^4\text{He}+\text{p}
氘氚反应中麻烦的高能中子在此处被高能质子所取代（氘-氘的副反应依然会产生一些高能中子，不过比起氘氚反应已经少多了），而这个基本无中子的聚变反应自然也就不会带来太麻烦的放射性问题，是一个相对清洁的反应。
事实上，由于氘-氘副反应的存在，这个反应并不是真正的无中子聚变反应（但它最知名，所以就在这里作为例子列出了）。不过真正意义上的无中子聚变反应也确实被提出过，主要包括下述反应
- 氦3-氦3反应： 2\text{ }^3_2 \text{He}\rightarrow 2\text{p}+\text{ }_2 ^4\text{He}
- 质子-硼11反应： \text{p}+\text{ }^{11}_5 \text{B}\rightarrow 3 \text{ }_2 ^4\text{He}
不过这两个反应也同样有上一部分中提到的问题：对等离子体参数要求太高，想在现阶段实现点火纯属做梦。
2-4. 最现实的行星级能源：氘-氘聚变
在一众相对容易实现的聚变反应中，大部分反应都会对一些较为稀有的原料有硬性要求：比如氚或氦3。事实上无论是用中子-锂反应生成氚还是去月球挖氦3都有着极高的成本和相对严苛的储量限制，使得与这两个同位素相关的聚变反应根本无法满足一个卡尔达舍夫Ⅰ型文明的需求。
如果想要真的做出行星级能源，发电用原料的丰富将会是必要的要求之一，这就使得氘-氘聚变反应从大量备选反应中脱颖而出。与因半衰期过短而不在自然界中存在的氚不同，氘的丰度在自然界中高达 0.015%，可以相对容易的从海水中大量提炼。也即是说，如果日后实现了氘-氘聚变反应的商用运行，那么燃料成本将不会成为一个主要的掣肘，随着等离子体约束技术的进步，我们将会得到一个潜在的行星级能源。
3. 如果聚变发电实现了……
在通常的聚变科普PPT里，引入聚变能的思路一般是这样的：环境压力带来对清洁能源的巨大需求，其中水电已经基本饱和，而和其它那些不怎么靠谱的新能源相比核电要好得多。但核电有安全性与乏燃料处理 [2] 两个巨大的短板，使其无法作为主要能源推广，所以我们迫切需要一种「清洁的」核电——这就是聚变能在人类能源科技树上所处的位置。
搞聚变的人通常比较实事求是，不会像马斯克那样一直吹「殖民火星」的牛皮。虽然聚变能有不容忽视的成为人类所掌握的第一个行星级能源的潜质，但我们必须正视其间的各种技术困难。哪怕是从远期规划来讲，成为一种可靠的「清洁核电」也才是第一步，至于大规模铺开氘-氘聚变以获得行星级能源，那估计已经是下个世纪的事情了。
3-1. 普遍的限制：发电成本问题
技术发展中不存在一步登天的捷径，哪怕划时代的技术出现，其重要影响通常也是在后续几十年内逐步呈现出来，而非在一夜之间带来翻天覆地的变革。在新技术出现的初期，各项工序与上下游产业的不成熟将使得它的成本长期居高不下，甚至需要政策补贴来维持发展。我们无法预期聚变能需要多少时间走过这一阶段，只能在此处简单分析一下在此处限制聚变能进一步发展的各项关键技术。
注意，此处的讨论适用于上一部分中的大部分聚变反应，并非某一反应特有的缺陷，寄希望于用新的聚变反应绕过这些限制并不可行。
聚变装置主体的高成本。 在激光约束路径基本被NIF的悲观结果否决的当下，磁约束路径已经基本成为聚变发电的唯一选择，而其中最有希望的三个技术路径是托卡马克、球托克马克与仿星器。其中仿星器因为形状过于扭曲，基本所有线圈与真空室部件都需要单独定做，这进一步意味着极高的造价。托卡马克在此处虽然比仿星器更好，但也优化的有限：即便D形的超导线圈与真空室的生产成本相对更低，但对强磁场（~8T）与巨大的装置体积（~7m）的需求同样会把装置的造价抬升到一个让人皱眉的数字。球托克马克因为装置体积较小在此处拥有很大优势，但也同样无法规避下面提到的两类问题。
中子慢化、屏蔽设施的高成本。 除非采取无中子聚变反应，不然任何聚变电站都需要装备非常厚重的中子慢化层（对典型的14MeV高能中子，厚度约1m）。考虑到环形磁约束装置的结构，在装置纵切面上这些中子慢化层就要占去4米的直径。解决这一问题的思路是建设裂变-聚变混合堆，即将现阶段快堆堆芯中的高能中子源替换为一个聚变堆。但如果不采取这种可以大规模有效利用快中子的手段，我们就必须大量建设这些主要成分为金属锂，厚约四米的中子慢化层，其成本之高昂可想而知。
辅助设施的高成本。 为维持高参数等离子体的存在，需要大量辅助加热以及电流驱动设施，其中包括各类高功率微波源与中性束装置，其中任何一个都是非常昂贵的。
当然，这些上游产业不成熟带了的高发电成本并非无法克服。随着技术发展，我们完全可以预期超导线圈、高功率微波源、中性束装置等聚变堆必须设备的价格会逐渐降低，直到聚变能可以依靠自身的经济竞争力成为主流的发电方式，而后因为没有环境压力而被大规模铺开。
到那时，我们才会开始考虑，聚变能从一个「主流的清洁能源」到人类所掌握的第一个行星级能源之间的距离——它虽然漫长，但并非不可跨越。
3-2. 氘-氚聚变：相对清洁的核电
氘-氚聚变将会是人类在商业使用聚变能上走出的第一步。如果 ITER 与 CFETR 的结果符合预期，那么 DEMO 一级的商用示范堆将会在 2050 年左右逐步落成。若其间发生了一些其它方向的重要进步，ARC [3] 或 ST135 [4] 等级的商用反应堆也同样可能取代成本过高的 DEMO 反应堆得到商用推广。
但如同上一部分所说，这些最初期的聚变装置将有着极高的发电成本，只能靠着财政补贴勉强维持收支平衡，直到将上游产业养出可观的规模效应。以现阶段核电项目的造价估计，国际市场上主流的核电项目的综合比投资集中在 2000美元~5000美元/kW 的量级。也就是说一个 DEMO 级的 300MW [5] 反应堆若想获得与现阶段核电接近的竞争力，其综合造价应在 60亿~150亿美元之间。考虑到 ITER 那 200 亿欧元以上的天价，不得不说这是个非常困难的任务。
在初期的经济困难被克服之后，氘-氚聚变堆便可以被作为一种比裂变堆更清洁的核电得到推广。此后它将会面临的主要困难包括
氚的短缺。 半衰期只有12年的氚无法自然存在，必须通过中子-锂反应人工制备，这一过程在聚变工程中被称为「氚再生」。两个主要的氚再生反应是
^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}
因为中子的捕获中必定有损耗，所以必须引入大量类似第一个反应的增殖反应，才能保证获得足量的氚供聚变堆后续使用。而非常不幸的是，所有这类反应的截面都小得感人，使得设计中氚的再生率往往只能略微超过100%——这还是不考虑回收过程中的损耗时得出的估算值，而如果进一步考虑到氚气回收的困难程度，这个数字只会更加不乐观。
对氘-氚聚变来说，氚燃料的获取问题是一个无法解决的怪圈：作为聚变发电所必须的燃料，氚的大量制取几乎只能依靠聚变堆，而聚变堆的氚再生率又只能在1附近，稍微出一点问题就会跌破1，使得必须引入其它氚源补充……除非日后发现什么新的极其高效的氚再生反应，不然这一问题便毫无得到彻底解决的希望。
放射性损伤问题。 除去锂包层中的氚气以外，快中子还会不可避免地破坏并部分活化真空室（所幸快中子的核融合散射截面一般较小，不会大规模地在不锈钢真空室壁中产生放射性）。这会使得整个氘-氚聚变核岛中都充满放射性，而一些关键部件如超导线圈，微波源等对强放射性环境的耐受能力是缺乏检验的，可能会造成非常麻烦的维护问题。
在这两问题中，后一个问题可以被无人操作技术的发展与关键部件的鲁棒性提升所逐步解决，但前一个问题是核物理层面上的硬伤，会使得氚燃料长期处于短缺状态，直到人类获得足以解决这一问题的高通量中子源为止。
在那之前，氘-氚聚变都不大可能成为足以支持太阳系开发的行星级能源，哪怕日后真的建成了用氘-氚聚变堆供电的太空城，它的氚燃料也必须节省着用才行——不然一次氚回收失败造成的燃料损失可能就会使得整个太空城在获得来自地球的氚补充之前一直严重缺电。
3-3. 氘-氦3聚变：去月球挖土
在氘-氚聚变技术成熟之后，我们的约束技术或许会在大量工程实践中缓慢进步到足以实现氘-氦3聚变点火的程度。这意味着比氘-氚点火高十倍的等离子体温度与密度，远远超过现有托卡马克装置能达到的理论极限。如果等离子体理论不能实现一些本质性的飞跃，那么引进一些新的磁约束模式将不得不被提上日程。总而言之，让我们假设人类终于在某种神奇的磁约束装置上实现了氘-氦3聚变发电的商业化，那么他们将会发现聚变能的利用空间被大规模拓展了。
首先，燃料短缺问题终于有了被解决的可能。从月壤中提取氦3最初不见得比那一套复杂的氚再生工序便宜多少 [6] ，但这至少告别了那个令人抓狂的怪圈。如果当时的人类已经建立起了完善的太空工业体系，那么稳定、易储存的氦3将会成为方便携带的核燃料，使得偏远地区的太空城不必时时担忧一次氚回收失败使自己陷入无电可用的窘境，与氘-氚聚变相比是一次意义重大的飞跃。
至于中子问题，氘-氦3聚变并没有提供一个令人足够满意的解决方案。氘-氘副反应在氘-氦3聚变堆中同样会大量发生，过程中产生的快中子数量虽然没有氘-氚聚变那么夸张，但同样也会是一个不能忽视的数字。
不过如果人类的整体技术水平已经进步到了足以稳定维持氘-氦3点火的程度，那么在一个气密空间中运行一套远程操作的无人磁约束装置或许已经不是什么太麻烦的问题了。
3-4. 氘-氘与质子-硼聚变：行星级能源
事实上相比于以氘-氦3聚变作为过渡，我认为以这两个反应直接建设第二代聚变堆相比之下要更实际一些。这两个反应的参数要求虽然也比氘-氚反应高出两到三个量级，但与氘-氦3反应相比提高的有限，一套能实现氘-氦3反应的约束装置在经历一些升级之后很可能可以直接实现氘-氘点火。
氘-氘反应仍然是一个会产生大量快中子的聚变反应，这意味着装置的建设与维护成本会保持在高位。但摆脱了氚再生需求的氘-氘聚变堆与氘-氚聚变堆不同，可以直接实现对快中子的妥善利用——别忘了，快中子源本身也是一项颇为珍贵的资源——它带来的收益可以相对容易地对冲掉快中子造成的设施建设与维护成本。与此同时，氘的易获取易存储的特性就会使得这一聚变能源相比于其它能源占据决定性优势——此时人类才真正迎来可以大量使用低价电力时代。
而后的展开就和人类获得其它任何行星级能源后的展开一样了，行星级的能源总量会使得大量此前无法想象的工程成为可能。至于热量分配这种长期被认为会成为重要掣肘的问题则看起来根本不怎么重要：要不我们把沙漠直接融成反射镜试试？
质子-硼聚变所要求的参数比氘-氘聚变略高，不过这是个货真价实的无中子反应，意味着我们终于摆脱了麻烦的快中子问题。如果应用场景是一些无法妥善处理快中子的地方，比如太空站或者远航探测器，质子-硼聚变堆会成为比氘-氘聚变堆更为优先的选择。
4. 总结，以及对未来的预期
如果让我写出一个对聚变能发展的远期规划，那么我会给出这样一幅图景：
- 在近期内先实现氘-氚聚变的商业使用，维持聚变产业在经济结构中的存在
- 随后更新磁约束技术与等离子体物理理论，实现氘-氚聚变堆的紧凑化，逐步压低成本，并发展气密环境下的无人操作技术，将中子的环境影响压到最低
- 进一步的磁约束技术发展实现氘-氘与质子-硼聚变点火（由于极高的参数要求，这一步可能要走很久），人类终于获得可靠的行星级能源
- 在工业设施较为完善，有足够的能力处理快中子的地区，以氘-氘聚变为主体提供能源；而在工业基础尚在发展的新开拓领地，以质子-硼聚变堆实现稳定的能源供给，逐步建立成卡尔达舍夫Ⅰ型文明
（全文完，感谢阅读）
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参考
- ^ 事实上很多退役的聚变装置都被装在负压室里防止放射性外泄了
- ^ 题外话：聚变发电因为会产生一堆高能中子，也会生成大量放射性废弃物，但通常却不被视作有核废料问题，令我怀疑核工程中的「核废料问题」主要指的是其它国家可以从乏燃料里直接提取出高纯度铀235作为核弹原料
- ^https://www.zhihu.com/question/423823272/answer/1504025294
- ^ 现在好像改名叫ST-E1了 https://www.tokamakenergy.co.uk/mission/
- ^ DEMO 那个 1GW 是指聚变功率，不是发电功率，这里为了计算简单直接取转换效率30%
- ^ 事实上很可能是价格更离谱了，10ppb的丰度意味着100吨月壤里只能提取出1克氦3
