在NVIDIA的时候，我曾在美国国家实验室研究核聚变模拟代码（细胞中的粒子），我对我们能否用核聚变解决问题非常感兴趣，并不断地征求科学家和工程师的意见。我的前岳父也在劳伦斯伯克利实验室工作，他是一名设计超导线圈磁体的工程师，有几十年与核聚变研究人员合作的经验，尽管他的主要应用是粒子加速器。在与这些非常聪明和合格的人进行了许多长时间的交谈后，我意识到，有一些真正困难的问题阻碍了实际的融合，而且看不到立即的解决方案。
据我们所知，唯一一个有效的、大规模的、能产生能量的聚变反应的地方是恒星的中心，在那里，大质量恒星的引力产生了必要的密度、温度和时间，在核心的状态下，聚变反应可以持续进行。这被称为劳森标准，很难实现。恒星上面的所有层都扮演着能量交换器的角色，将核心的所有伽马射线和快中子转化为能量逐渐减少的波长的光和核（热）的运动，所以当它们到达恒星表面时，这些能量以红外和可见光的形式释放出来，加热和驱动我们星球的生物圈，并为我们提供光伏能源。我们在核聚变方面的所有努力都是试图在地球上重现这一过程，在一个可以提供实际能源的小型反应堆中。
首先我要讲的是磁约束聚变，它（在托卡马克结构中）有一个甜甜圈形状的聚变室，周围环绕着磁线圈，产生非常强的磁场，压缩并包含热的、燃烧的等离子体，并在那里保持合适的密度和温度，足够长的时间来发生聚变反应。
磁约束的第一个问题是根本性的——无论包含等离子体的磁场有多强或形成有多好，它总是会泄漏，因为正的原子核或离子在磁场线周围盘旋碰撞和散射，最终漂移出遏制场。唯一已知的解决方案是使反应堆更大，这样散射离子需要更长的时间才能到达等离子体边界，因此在这段时间内会发生更多的聚变。
世界上最先进的磁约束聚变电站是ITER，为了减少上面提到的离子散射问题，该电站有6层楼高，直径大约相同，包含3个埃菲尔铁塔的质量，预计它仍然没有足够大的空间容纳足够长的等离子体来维持燃烧并产生持续的能量产生。
一个更实际的问题是我们如何提取能源？氘氚聚变反应中的大部分能量以快速、高能的中子的形式释放出来，这些中子（因为它们是中性的，不带电荷）不受磁场的限制，不能加热等离子体，必须被厚厚的屏蔽层阻止，然后屏蔽层加热，可以将水蒸发成蒸汽，为涡轮机和发电机提供动力。问题是，中子的持续轰击使屏蔽材料随着时间的推移而降解，并变得非常具有放射性，给移除和处置带来了问题。
此外，氘-氚聚变反应目前还在使用，因为它们发生在所有可能的聚变燃料中最低的能量和最低的等离子体温度下，因此更容易点燃和保持燃烧。然而，氚在自然中没有任何大量发现，需要在核反应堆中制造。以目前的生产能力，我们无法制造足够的氚来持续为ITER提供动力。我们可以使用更好的燃料，比如氦-3或硼-11，它们不发射中子，因此“燃烧干净”，但等离子体温度必须更高，限制条件也要更好，才能点燃聚变并用这些燃料维持聚变。虽然硼-11储量丰富，但氦-3却非常稀少，科学家们认为，氦-3的最佳来源是月球表面的风化层，这些风化层已经在月球表面辐射了数十亿年。任何需要定期供应月球燃料的能源生产基础设施，即使像He3这样的能源密度，也可能永远不会成功。
一种解决氚不足的方案是用锂构建反应堆周围的防护罩，锂含量丰富，当受到中子撞击时，会裂变成氚，从而在反应堆内部繁殖氚。当然，在氚从墙壁释放到托卡马克反应室后，这也带来了一系列的问题，即如何捕获、提纯和控制氚。
另一个问题是，当ITER中的所有超导磁体在全电流（160,000安培）下运行，以创造13特斯拉环形磁场（MRI机器的13倍），并创造其他等离子体成型和加热磁场时，它们将存储600亿焦耳，或约12吨TNT当量的能量。这是因为这些巨型磁铁线圈中长达180公里的超导铌锡导线在液氦过冷时可以携带巨大的电流。
但是，如果冷却失败，超导体就会升温，淬灭，变成一个普通导体，再也不能携带那么大的电流。16万安培突然遇到电阻，线圈迅速蒸发，导致其他线圈熔毁，释放的总能量相当于12吨TNT炸药。这是非常不可取的，特别是当这些线圈包裹着一个高放射性的屏蔽层时，它也会蒸发并被排放到大气中。虽然有故障检测系统，但需要一段时间才能安全消耗那么多能量，而且在发生灾难性的磁圈故障时，可能没有足够的时间迅速做出反应。
因此，在磁约束下产生核聚变能的实际应用中，有些问题需要解决，有些问题可能不那么容易解决。
惯性约束聚变是指将强大的激光聚焦在氘燃料的微小颗粒上，使其快速压缩，使其达到进行聚变所需的温度和密度（劳森标准），与热核武器（或氢弹）的方式相同，但规模要小得多。然而，均匀内爆氘燃料丸存在一些基本问题，因为一旦压缩开始，等离子体就会变得非常不稳定，除非使用的激光束完全对齐，完全均匀（或平坦），这有点像用手指挤压果冻，等离子体会在激光强度稍低的地方膨胀，在被挤压出缺口之前达不到点火标准。
它在能量转化为电能方面也存在许多相同的问题，更糟糕的是，在这些小型核聚变爆炸发生时，屏蔽层会受到磨损，这也会破坏所有需要的精密设备，这些设备需要将燃料丸以极其精确的精度集中在汇聚的激光束上。因此，在惯性约束聚变成为一种实际的能量来源之前，有很多实际的损伤控制问题。
虽然这些问题可能得到解决，但实际应用仍有很长的路要走，目前惯性约束聚变的主要应用是作为一个实验试验台，校准用于模拟和设计热核聚变武器的计算机代码。尽管这些武器可能很可怕，但为设计它们（抱歉，是维护它们）而开发的模拟代码，是核聚变能源创新的最伟大工具之一。有一种流体动力学程序可以模拟裂变（和聚变）材料在极端压力和温度条件下的行为，还有一种传输程序可以模拟中子在这些条件下在材料中的传输和散射，以及许多其他的小块和小块。它们都是标准的数值技术，真正保密的部分是整合和校准所有这些代码与过去的核武器试验，以及目前的小规模模拟。
基本上你需要一个篮球大小的真空容器和一个泵来清空它。你在中心放一个高尔夫球大小的小球形铁丝笼，在它周围放一个保龄球大小的大铁丝笼。然后泵出所有的空气，并在两个笼子之间施加一个非常大的（10,000V）电势，小负极在中心，正极在外围。
然后你打开一个阀门，让非常少量的氘气体（市售）进入真空室，它在大的电压电位中电离，外围的D+离子经历一个非常强的电场（100K V/m），并被快速加速到反应堆中心，有足够的能量碰撞和聚变氘原子核（不需要氚）。这种聚变可以用一个外部中子计数器来测量。
从理论上讲，发电很简单，因为由高能的He3和（少量）H3离子组成的聚变产物可以在电场和用于直接发电的电流中减速。
虽然由于其简单和高效，ECF反应堆似乎是显而易见的赢家，但它有几个限制规模化的因素：
a）在性能下降之前，氘气体密度是有限制的，因此发电能力是有限的。
b）氘离子容易与中心的金属笼阴极发生碰撞，金属笼会吸收氘离子，从而加热金属笼，造成能量损失和金属原子脱落造成的污染。
c）当氘离子在中心来回振荡时，每次它们改变方向，就会发出辐射，或光子，失去能量（这就是牙医的x光机的工作原理）。
d）随着时间的推移，散射倾向于减少离子良好的径向轨迹，形成麦克斯韦尔分布，从而减少发生的聚变。
研究人员已经在外围使用了电磁铁，试图将一个电子球固定在中心，从而消除了中央笼的需要，也就是Bussard的Polywell系统。一家名为EC3的公司试图继续他的工作，但没有取得商业上的成功，主要是因为A）、c）和d）仍然限制了它。离子轨迹的麦克斯韦尔再分布是等离子体聚变物理学的一大难题，对ECF研究人员来说更是如此。
热核武器：说到房间里的大象，热核武器是人类掌握的唯一真正成功的大规模核聚变能量释放。巨大的、立即的、数百万吨TNT的能量释放，以及由此产生的灾难性的破坏和放射性沉降物，阻止了任何产生能量的用途（或任何对此有用的东西），但了解物理学是理解引发大规模核聚变所需的巨大能量和条件的基础。
所以，总而言之，我们不应该关闭或停止建造今天的裂变核反应堆，因为商业聚变反应堆不仅在遥远的未来，而且还会产生放射性废料（它们的屏蔽，需要定期更换），如果托卡马克在全功率运行期间磁铁线圈冷却失效，就会发生灾难性的熔毁和爆炸。它们也不像有些人说的那样靠海水运行。在今天的托卡马克磁场所能产生的温度和密度下，我们需要昂贵和困难的氚（它也是放射性的）来点燃聚变。
为了在你的职业生涯中推进聚变能，我认为最好的研究领域是物理（古典、电动力学、等离子体、量子、核……）和计算机科学，重点是数值模拟。实际的物理聚变反应堆的建造、测试和操作是如此昂贵和耗时，以至于你可能在职业生涯中只能迭代设计一两次，但相比之下，计算机模拟可以更便宜、更容易地把我们带到许多不同的方向。
也许有一些奇异的星载机磁约束设计，或者先进的法恩斯沃斯静电约束设计还没有被深入探索，这将被证明是掌握聚变能的关键。模拟可能是找到它最好的第一步，除非你有几十亿美元和几百公里长的铌锡线和氦冷却管来玩。
