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世界激光核聚变点火成功，“人造太阳”要来了？

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人类朝“人造太阳”的目标，又近了一步。

可控核聚变，是科幻题材中的老戏骨。

无论是《三体》还是《流浪地球》，可控核聚变承载着人类冲出宇宙的多重想象，原因就在于它取之不尽、用之不竭，是解决能源问题的答案之一。然而在现实中，要实现这一技术门槛极高，全世界科学家为此殚精竭虑，也无法完全掌握可控核聚变的技术。

但最近，一个令科学界振奋的消息传来：当地时间12月13日，美国能源部正式宣布了一项核聚变的历史性突破。加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(下称LLNL)的科学家于12月5日成功在核聚变反应中实现“净能量增益(Net Energy Gain)”，即受控核聚变反应产生的能量超过驱动反应发生的激光能量。

这一时刻也被称为“聚变点火(Fusion Ignition)”。美国能源部称，这一突破将永远改变清洁能源和美国国防的未来。

如果数据得到确认，这就意味着人类朝“人造太阳”的目标，又近了一步。

世界“点火”

当192束超高能量的激光束同时轰击一颗胡椒粒大小、装有氘和氚元素的圆柱体时，会产生什么结果？

12月5日，LLNL的镀金鼓内，一组科学家展开了这项实验，精巧地重现了为太阳提供动力的物理学。

“奇迹”发生了。激光束为圆柱体提供2.05兆焦耳的能量后，输出了3.15兆焦耳的核聚变能量。这一壮举被称为点火，对于全球研究聚变的科学家来说，是一个巨大的胜利。

核聚变点火是实现可控核聚变的关键步骤，是实现可控核聚变的前提和基础。核聚变指的是当原子合并在一起时，释放出巨大能量的过程，这个过程可以在碳排放几乎为零的情况下，源源不断地提供绿色能源。但是，想在实验室里实现核聚变并非易事，一个重大的挑战就是“点火”（即核聚变反应所产生的能量等于或超过输入能量的时刻）。

一直以来，可控核聚变被认为是“人类的能源”，但历经70多年的研究后，仍处在实验阶段。“点火”，即核聚变产生的能量超过激光束打入的能量，是可控核聚变走入现实必要的指标之一。只有满足这种条件，这一装置才有望提供能源，而不只是一个耗电器。

多年来，科学家们一直在进行这种类型的实验，结果发现产生的能量还不足以供给维持系统本身。早在2009年，美国国家核安全管理局在加州的LLNL建成国家点火装置（NIF），在高10层、约有3个足球场大的建筑物中开展前述实验。NIF原定目标是在2012年实现“点火”，但未能如期达成。NIF在此后多年备受争议，业内一度悲观认为，它可能永远无法“点火”。

NIF的突破是循序渐进的。2022年1月，NIF团队在《自然》杂志发表文章提到，已经用1.7兆焦耳的激光发射产出了1.3兆焦耳能量，研究者证明了相关的机制，并称有信心在未来产出更多能量。9月，研究者又重复了这个实验过程。2个月后，NIF实现了“点火”。

可控核聚变实现了正循环，LLNL的实验也从科学层面证明了，惯性约束聚变可以实现净能量增益，新科学的大门正在敞开。

各国技术各有所长

核聚变是核能的一种形式，指两个轻原子核结合成一个重原子核并产生能量的过程。太阳之所以能发光发热，便是依靠内部不断产生的核聚变提供动力。一个原子核分裂成两个轻原子核，也可以产生能量，被称为核裂变，人们熟知的原子弹、核电站都是采用的这一原理。

核聚变燃料丰富且容易获得，核聚变也不会产生高放射性的核废物，清洁安全。核聚变也不会产生高放射性的核废物，清洁安全。因此，核聚变作为解决人类能源危机的能源，虽然已经花费数十年的时间仍未实现发电，但各国还是不遗余力在参与这项研究。

1952年，美国在太平洋的一个无人岛上引爆世界上颗氢弹，也让全世界次见识到了核聚变的威力。但这种引爆发射的能量是瞬间释放，而如果想要通过这种手段成为民用能源，能量必须要有序受控地缓慢释放。于是，核领域诞生了新的课题——可控核聚变的研究。

可控核聚变发展至今已有70年历史，几十年来，世界各国对可控核聚变的研究均投入了大量人力物力，也获得了一系列重要成果。

目前，世界上研究可控核聚变的国家和地区主要有欧洲、美国、日本、俄罗斯和中国，各国的研究侧重和研究进展各不相同。

除了托卡马克装置外，美国在激光惯性约束可控核聚变上保持全球领先的地位。

欧洲在先进托卡马克装置的研究上占得先机。早在1982年，欧洲原子能委员会就在英国的卡拉姆实验室建造了目前世界上已建成的托卡马克装置中尺寸更大的装置之一的“JET”。

2021年12月，来自欧洲的研究团队实现了受控核聚变能量的新纪录：在欧洲联合环反应堆中，将氢的同位素氘和氚加热到了1.5亿摄氏度并稳定保持了5秒钟。

日本一直致力于发展人类新的能源，在托卡马克装置的研究方面走在世界前列。早在1985年，日本原子能研究所就成功运行了JT-60大型托卡马克装置，该装置曾达到4亿摄氏度中心离子温度。

俄罗斯发展托卡马克历史悠久，但目前研究进展相对缓慢。目前，俄罗斯正大力参与并推进ITER项目，并再次发展国内托卡马克研究。

中国在核聚变方面的研究起步较慢，但目前处于不断加速状态。我国核聚变研究起始于20世纪60年代，1970年开始自主设计实验装置，1984年建成中国换流器一号。1994年我国建成了“合肥超环”，此后进入快速发展阶段。

2021年5月，“东方超环”（世界上个非圆截面全超导托卡马克）实现了1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行，突破了世界纪录。

“东方超环”

如今，我国的可控核聚变发展，已从过去的跟跑上升到与欧美并跑。

商业之路任重道远

在点火成功之后，外界关于可控核聚变的更大关注点在于，此次突破是否意味着清洁、无穷无尽的核聚变发电已经触手可及？

答案是否定的。

据《纽约时报》报道，这次实验产生的能量只够烧开15-20壶水。此外，尽管该实验产生的能量比激光器输入的能量高，但与激光器工作所需供能（约300兆焦耳）相比则低得多。

目前，各国可控核聚变装置仍在实验阶段。未来想要应用于现实，无论哪种技术路径，都要考虑“投入产出比”，业内称之为Q值。即能量增益因子，指核聚变反应输出能量与输入能量之比。当Q值大于1时，就意味着可控核聚变“不亏本”，产生的能量大于消耗的能量。

除了Q值，可控核聚变未来想要商用，还要尽可能延长反应时间。只有稳定地燃烧释放，未来才有可能建成发电站。

尽管不少研究者认为，这个结果能证明，可控核聚变在未来有可能为电网提供稳定的电力负荷，也有可能用于制氢或者供暖等。但要实现商业核聚变，业内的共识是，一切才刚刚起步。在投入大规模商用之前，这个过程还需要不断重复和完善，而且它产生的能量也必须得到显著提高。

LLNL实验室主任金·布迪尔(Kim Budil)也表示，如果想将这一成果商业化，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服，可能还需要几十年的努力和投资。

结语

近一个世纪以来，自从天文学家亚瑟·爱丁顿推测了为太阳提供动力的氢和氦之间的关系，人类一直被“建造一座像恒星一样运转的发电厂”这一设想所吸引。这一目标被全球科学家追寻着，并一步步向前迈进。

虽然核聚变要真正应用于发电站，或许还需要数十年的研究和突破。今天的技术突破也许还只是婴儿蹒跚学步，但我们应该相信，最终它将跑下来这场科技马拉松。

对于未来，我们值得想象。

本文来自微信公众号“首席商业评论”（ID：CHReview），作者：穆清，36氪经授权发布。