從能源角度， 核聚變才是氫最重要的舞臺 。 所謂核聚變， 指的是兩個較輕的核結合為較重的核， 這個過程可能產生其他粒子和大量的能量， 也稱為輕核聚變 。 地球上的能量大部分來自太陽， 而太陽的能量主要來自氫的核聚變 。 如果在比太陽溫度高一倍的恒星中， 參與核聚變的元素更可能是碳和氮 。 地球上的核聚變其實也已經實現了， 它就是氫彈（與輕核聚變對應的名詞是重核裂變， 它對應的軍事應用是原子彈） 。 攜帶1個中子的氫同位素稱為氘， 它在自然界中也穩定存在 。 氘可以參與聚變， 兩個氘聚變可以產生一個氦3（3He， 氦的一種穩定同位素）和一個中子；也可以產生一個氚（氫的另一種同位素， 攜帶兩個中子， 不穩定， 半衰期12.4年）和一個質子 。 氫彈的“燃料”并不直接是氘， 而是氘化鋰 。 氘化鋰是固體， 比氣體的氘運輸和存儲更方便， 當氫彈的“引信”原子彈爆炸時會產生大量中子， 中子、氘、氚和鋰之間有多種聚變方式， 可以產生大量能量 。 氫彈的外殼還可以采用鈾， 讓聚變產生的中子進一步產生重核裂變 。

和平利用可控裂變的核電站已經出現很久了， 而可控核聚變的技術卻一直未能實現 。 在較容易出現的聚變反應中， 主要的參與者有氘、氚、3He， 6Li和中子 。 其中的氚和中子難以存儲， 3He難以獲得；相比而言， 氘很容易得到， 大約每8,000個氫原子中有一個氘原子 。 氫原子大量存在于海水中， 因此， 通過氘的可控核聚變提供能源幾乎不存在原料供應問題， 以現在人類消耗能源的速度幾乎可以算是取之不盡的 。 相比起來， 人類現有的各種能源來源均有不足之處：煤和石油等化學燃料總量有限， 基于核裂變的核能也受限于原料總量， 而水電、風電和太陽能等可再生能源在單位時間內能提供的能量有限 。 如果能源不是問題， 人類社會的很多生活習慣將可以輕松地被改變 。 例如， 耗能大的個人飛行器將能普及， 城市內交通不再局限于路面， 而是可以實現多層次的立體交通；可以調節整個城市的溫度， 減少嚴寒和酷熱天氣 。 如果能源不是問題， 從技術層面， 一個全新的能源技術革命馬上就會到來；從物理層面， 人類也將能開展更高能量尺度的實驗， 探索更深層次的粒子物理 。

從氫彈到利用核聚變獲得民用能源， 中間的瓶頸就在“可控”二字 。 一個顯而易見的難度就在于聚變發生時的溫度， 如果你還意識到太陽的能量來自聚變的話 。 氘氘聚變的臨界溫度在1億開爾文的數量級， 在這個溫度下， 不再有固體、液體、氣體， 物質都以等離子體形式存在， 此時的電子與正離子并存 。 換句話說， 任何常規意義上的容器都無法容納這個溫度下的核聚變反應 。 另外， 等離子體還需要有足夠高的密度， 否則如果核聚變產生的能量小于維持等離子體存在的能量， 聚變將無法輸出能量 。 太陽之所以可以發生核聚變， 是因為它巨大質量所產生的引力約束了等離子體， 這樣的約束稱為慣性約束 。 可控核聚變的方案中， 有的方案用激光慣性約束：利用激光提供能量讓小尺度（比如10微米量級）的聚變材料局域在小空間內加壓加溫 。 也有的方案用強磁場約束等離子體：帶電離子在磁場下可以做閉合回路運動， 從而實現空間局域， 這套方案有時也稱為托卡馬克 。 人們還在尋找各種不需要高溫的聚變方式， 這些方案稱為冷核聚變 。 不管哪一套方案， 實現它們所需要的技術難度都異常巨大 。 雖然人們期盼可控核聚變多年， 雖然許多國家持續斥巨資開展相關研究， 目前世界上還沒有可民用的核聚變技術 。

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