核聚變能是未來清潔能源的重要發展方向，世界各國正在該領域進行技術追逐。日本大型超導託卡馬克 JT-60SA 將於 2021 年建成並實驗，國際熱核聚變實驗堆 ITER 也將於 2028 年建成。
圖 | 中國 EAST 「東方超環」 超導託卡馬克裝置
在新技術的挑戰面前，中國目前也在開展多項核聚變研究。2018 年 11 月，中科院合肥物質科學研究院的 「東方超環」 EAST 超導託卡馬克裝置實現了 1 億攝氏度等離子體運行等多項重大突破，獲得的實驗參數接近未來聚變堆穩態運行模式所需要的物理條件，標誌著我國朝未來聚變堆實驗運行邁出了關鍵一步。
EAST 裝置為我國下一代聚變裝置 —— 中國聚變工程實驗堆（CFETR）的預研、建設、運行和人才培養奠定了基礎。CFETR 是目前世界上最具雄心的可控核聚變研製項目，由中國自主設計和研製、並完全向國際開放合作的重大科學工程，正處於工程設計和預研關鍵階段，目前大批科研人員正緊張地投入科研之中，預計在 2024 年完成聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施（CRAFT）建成，這也是 「十三五」 國家重大科技基礎設施之一。
鄭金星研究員也是其中一員，其主要研究方向是強磁場與等離子體約束作用機制及關鍵技術研究，他主要開展中國聚變工程實驗堆大型超導磁體關鍵核心技術研究工作。
圖 ｜ 《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」 2020 年中國區榜單入選者鄭金星
說起可控核聚變技術，它可謂人類能源問題的終極解決方案。如果對現有絕大多數能源進行溯源，不難發現的是，形形色色的能源歸根到底都來源於太陽在過去和現在輻射到地球的能量，而太陽以及其它宇宙中恆星的能量來源，則是核聚變。
「氘 - 氚（D-T）」 核聚變可以說是最簡單的核聚變之一，也是難度最低、釋放能量最小的核聚變反應。根據質量虧損和質能方程式我們可以計算，同等質量的 「氘 - 氚（D-T）」 核聚變所能釋放出來的能量大約是汽油的 2500 萬倍。
與之相比，我們熟知的核電站利用的則是核裂變，也就是鈾 235 原子分裂時產生的能量，其能量密度僅僅是氘 - 氚核聚變的百分之一。
圖 | 「氘 - 氚（D-T）」 的核聚變反應產生氦（He）與中子（n）並釋放核能
這意味著，核能有著比化學能、機械能相比大得多的能量密度：在人類已知的反應中，核聚變反應所能釋放出來的能量僅次於正反物質湮滅。其實，核裂變發電本來是很好的零碳能源形式。然而歷史上也曾記載過很多核電站的重大事故，例如車諾比事故和福島核事故。
特別是福島核事故之後，因人們對核裂變過程中在核輻射、核廢料處理、反應過程控制、防止核洩漏等方面存在諸多疑慮，不少國家放慢、甚至取消了發展裂變核電的計劃。
相比之下，核聚變則沒有這些問題，因為氘 - 氚燃料的來源廣泛，核反應過程中幾乎沒有核輻射，廢料也幾乎沒有放射性，理論上反應也容易控制 —— 只需斷電就可以終止，無需擔心出現恐怖的核事故。因此，可控核聚變簡直就是人類夢想中的能源形式，一旦實現，人類文明都有可能因此再上一個臺階。
心系 「小太陽」，堅持科研報國
可控核聚變還有一個十分親切的名字 ——「人造小太陽」。簡單地說，可控核聚變的目標就是造一個十分安全的 「小太陽」 用於供給能源。可是，幾十年過去了，人類在核聚變發電技術方面仍然進展緩慢。這是因為，想要實現可控的人工核聚變難於上青天。
和平利用核聚變對於每個能源消耗大國來說都是一項重大戰略項目。自上世紀 70 年代以來，中國科學家們也一直在研究開發較小版本的核聚變反應堆，集中選擇託克馬克裝置為主要科研方向。
圖 | ITER 國際熱核聚變實驗堆設計圖
託卡馬克（Tokamak）是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字 「Tokamak」 是俄語，來源於環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka），這四種 「元素」 都是實現可控核聚變的必要部分，最初是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰託夫研究所的阿齊莫維齊等人在 20 世紀 50 年代發明的。
簡單而言，核聚變反應理論上只需要一個氘核和一個氚核就行。但是，如果只有 2 個原子核，很難撞到一起，也很難控制。所以我們需要創造核聚變能夠穩定進行的條件，例如最直接的：
萬事不決，升高溫度，溫度升高原子的速度就加快，那麼單位體積內原子碰撞的概率就會升高。其實，增加密度和維持時間也能使得核聚變反應穩定進行，溫度、密度以及維持的時間，這三者必須滿足特定的條件，這叫 「勞遜判據」。
滿足勞遜判據，聚變產生的能量就能維持聚變自身擰原子核消耗的能量，聚變才會持續下去，這個俗稱聚變點火。EAST 設定的 1 億度 1000 秒的目標，就是聚變點火，過了這個目標，聚變就會持續反應而不再需要外界輸入能量。
而在託卡馬克裝置中，還應用到了 「磁約束」，即用磁場把原子核擰到一起。高溫下，原子核與電子之間的連結被打破，電子離開原子核，簡稱 「電離」。剩下的那團原子核就叫 「等離子體」，帶正電，只有帶電才能被磁場約束，固定在一個小範圍內。所以搞核聚變的單位經常叫什麼等離子體研究所。
而一般來說，可控核聚變可以由高性能超導託卡馬克裝置完成，需要將上億度等離子體、零下 269℃ 低溫超導磁體、精確時空實時反饋控制、高熱負荷等離子體與材料強相互作用等多項極端條件同時高度集成。這種複雜系統的設計和實驗都是國際聚變界公認的難題和最前沿的研究領域。
帶著對 「人造小太陽」 的憧憬和熱愛，鄭金星讀博期間選擇了核能科學與工程專業，並開始一步步追逐中國聚變夢想。談及選擇核聚變作為科研方向的原因時，鄭金星告訴 DeepTech：「聚變工程實驗堆是幾代中國聚變人的夢想，期間不斷面對著新困難和新挑戰，（並在此過程中）迎來一個又一個技術革新。儘管這是國際公認的難題和最前沿的研究領域，但我始終堅信中國聚變工程實驗堆能夠建設並且實驗成功，進而推動聚變商業示範堆建設，完成人類終極能源夢想。」
鄭金星還表示：「其中，聚變堆堆芯功率與約束磁場的 4 次方成正比，如何提高大型超導磁體強磁場約束和穩定運行性能，是實現聚變堆穩態長脈衝高約束等離子體亟待解決的關鍵科學問題。」 而這也就成為了他的主要科研方向和奮鬥目標。
讀博期間，面對高於 3.4 倍國際熱核聚變裝置（ITER）儲能的中國聚變工程實驗堆超大型磁體的更加複雜的極端條件，鄭金星學習並開展了 CFETR 大型超導磁體系統研究工作，同時也參加了 ITER 國際熱核聚變大型超導磁體的研製工作。
在普林斯頓大學等離子物理實驗室聯合培養階段，他也在國外導師的帶領下，深入開展了磁約束聚變另一種先進技術途徑 —— QAS 仿星器的研究工作。
2014 年博士畢業後，鄭金星留在中科院等離子體物理研究所，陸續晉升副研究員、研究員和博導，並擔任了中科院等離子體物理研究所一室主任，繼續負責中國聚變工程實驗堆超大型磁體系統研製工作，完成了縱場超導磁體實驗件的工程設計工作，並開展了多組不同類型大型超導磁體處於大載流和高磁場快變波形切換極端環境超導磁體內交流損耗計算方法研究，解決了聚變堆實現高伏秒、高安全穩定裕度、高氚增值包層空間耦合磁體設計難題，為聚變堆等離子體長脈衝穩態運行提供可靠研究手段。
瞄準技術應用方向，開發關鍵共性技術
談及 「核聚變」 技術的衍生發展前景時，鄭金星十分激動地說：「在追逐聚變夢想的前進途中，非常欣喜能將創新完成的基於聚變堆強磁與等離子體相互作用關鍵共性技術，應用於新型大功率空間磁等離子體推進器（MPDT）。」
這也是一項未來前沿空間動力技術，將這種存在於科幻電影中的動力裝置帶到了現實中。近年來，隨著研究工作的深入，鄭金星在將核聚變領域應用的超導強磁約束技術拓展應用到空間某型號電推進領域，提出了空間推進器高梯度場下多維度羽流位型調控技術。
這是一次大膽而極具創造力的嘗試，能夠有效解決其推力、羽流位型等技術瓶頸，可實現相關空間平臺大推力和高比衝運行，為空間動力系統性能提升提供技術手段，在未來航天平臺和深空探測等領域有著重要意義。
未來可期，民用和航天兩條腿走路
談及下一階段的研究方向時，鄭金星表示：「結合國家未來民用和高技術能源領域戰略目標，我下一個階段的研究方向將繼續圍繞正在開展的中國聚變工程實驗堆超導磁體關鍵技術開展深入研究，同時進一步瞄準空間超導型磁等離子體推進器開展相關性能驗證工作。」
承載著幾代中國聚變人的夢想，鄭金星作為青年科研人員中的一員，如今活躍在核聚變研究的第一線，為早日實現可控核聚變解決人類能源問題貢獻自己的力量。