核聚變提供能量被廣泛認為是能源領域的重大工程挑戰。世界各地的許多研究人員和工程師正致力於通過在地球上重現恆星中自然存在的密度和溫度等條件來產生這種能量的方法。

與原子分裂產生能量的核裂變不同，在核聚變中，較輕的核結合在一起形成較重的核，從而釋放能量。這就是恆星如何將微小的質量轉化為固定的能量。如果沒有為太陽提供能量的核聚變反應，地球上的生命是不可能存在的。

儘管聚變產生的能量對社會有著預期的好處，例如燃料的豐富性和可獲得性、無碳足跡和高放射性廢物的缺乏，但將聚變付諸實踐仍然是當今實驗物理和工程中最具挑戰性的領域之一；將聚變反應控制在1億攝氏度以上是一項複雜而具有挑戰性的任務。

一旦這一挑戰得到克服，聚變能源實際上可以成為取之不盡、用之不竭、安全、環保和普遍可用的能源，能夠滿足全球能源需求。

熔合是如何工作的？

在恆星的核心，氫原子之間的熔合反應發生在稠密的等離子體中，溫度超過一千萬攝氏度。等離子體是物質的第四種狀態，具有獨特的性質，不同於固體、液體和氣體。它由自由移動的帶電粒子組成，當電子從中性原子中移除時在高溫下形成。正如我們目前所瞭解的，宇宙中99%以上是以等離子體的形式存在的，包括星際物質和恆星，比如我們的太陽。

在受控核聚變電廠中，必須滿足三個條件：

超高溫（超過1億攝氏度）引起高能粒子碰撞；

等離子體中發生反應的粒子密度足以增加這些碰撞的可能性

足夠的限制以保持等離子體並使聚變反應持續進行。

到目前為止，效果最好的約束概念是託卡馬克，一種在20世紀50年代首次發明的環形結構，它使用強大的磁鐵來容納等離子體。託卡馬克裝置已經可以為聚變提供必要的條件，在等離子體密度和所需的溫度方面，聚變反應因此可以產生。確保淨功率產生所缺少的是更好、更長的限制，這是衡量磁場在維持等離子體能量時間方面有多好的指標。

由35個國家合作的國際聚變能源組織（ITER）將是地球上最大的聚變實驗。它正在法國聖保羅-萊茲-杜蘭斯建造，計劃於2025年底投入使用。

ITER的設計是為了證明比目前進行的其他聚變實驗在聚變功率方面有更高的增益。在注入50兆瓦的加熱功率後，它的目標是產生500兆瓦的熱功率，持續400至600秒的長脈衝。儘管ITER不會將其產生的能量作為電能來獲取，但它將為一臺能夠獲取電能的機器鋪平道路。

在ITER之後的下一個階段，把熱量轉換成電能，將由一個名為demo的示範核聚變電廠來解決。預計演示將探索和演示連續或近連續運行、燃料自給和大規模生產能源，包括將其轉換為電能，並可能在2050年左右連接到電網。

聚變產生放射性廢物的方式是否與核裂變相同？

最容易實現的聚變過程涉及氫的兩種同位素：氘和氚。氚具有放射性，但它的半衰期很短（12.32年）。它只在相對較低的劑量下使用，所以不像長壽命的放射性核，它不會造成任何嚴重的危險。

氘氚反應產生一個氦原子（惰性氣體）和一箇中子，它們的能量可以分別為反應堆提供動力和發電。因此，聚變反應不會產生長壽命的放射性廢物。

然而，聚變將導致在等離子體周圍產生中子活化材料。換言之，當中子（作為聚變反應的結果）與反應堆壁碰撞時，其結構和組成部分就具有放射性。因此，在建設未來的核聚變電站時，一個重要的挑戰是優化建築設計，以儘量減少中子引起的放射性和由此產生的放射性廢物量。

國際原子能機構在聚變等離子體和聚變技術中的作用是什麼？

自1957年成立以來，國際原子能機構一直支持核聚變研究。原子能機構在國際聚變研究理事會的指導下開展了許多核聚變活動，該理事會是原子能機構的一個諮詢機構，成員來自世界各地。

國際原子能機構通過讓核物理學家、材料科學家、核數據專家、工程師和等離子體專家等參與，協調國際上在核聚變研究和技術開發方面的努力。它還組織了聚變能源會議——世界上最大的核聚變領域的國際活動。