什么是可控核聚變？可控核聚變到底處于什么水平呢?

可控核聚變，一定條件下，控制核聚變的速度和規(guī)模，以實(shí)現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出的核聚變反應(yīng)。有激光約束核聚變、磁約束核聚變等形式。具有原料充足、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)異、安全可靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢。因技術(shù)難度極高，尚處于實(shí)驗(yàn)階段。

核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核，并釋放出能量的過程。自然界中最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素——氘與氚的聚變，這種反應(yīng)在太陽上已經(jīng)持續(xù)了50億年。可控核聚變俗稱人造太陽，因?yàn)樘柕脑砭褪呛司圩兎磻?yīng)。(核聚變反應(yīng)主要借助氫同位素。核聚變不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料，當(dāng)然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境)人們認(rèn)識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的?？茖W(xué)家們希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出。

最近一段時間，美國在可控核聚變研究方面取得了重大突破。

當(dāng)?shù)貢r間12月13日，美國能源部宣布，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的國家點(diǎn)火裝置(NIF)首次實(shí)現(xiàn)了所謂的“能量凈增益”，即核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過輸入的能量。

具體操作過程是，NIF將2.05兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，最后產(chǎn)生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，達(dá)到了“點(diǎn)火”標(biāo)準(zhǔn)。

看著到這，很多人都好奇，美國目前可控核聚變到底處于什么水平呢?中國的可控核聚變又處于什么樣的水平，能夠趕得上嗎?

美國能源部長 Jennifer Granholm 指出，這次實(shí)驗(yàn)的成功，是在核聚變研究，在核技術(shù)，在能源史上都極為重要的里程碑事件。

首先可以肯定的是，美國這次點(diǎn)火成功確實(shí)具有重大的意義，這意味著人類在研究可控核聚變上又邁出了一大步，但這一大步只是相對而言了，想要實(shí)現(xiàn)可控核聚變?yōu)槿祟愃茫€有很長的路要走。

打個簡單的比方，如果在追求可控核聚變應(yīng)用的路上需要走100步，那截至目前人類估計(jì)連10步都還沒走完。

雖然這次美國成功點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)突破，但其產(chǎn)生的能量微乎其微，根據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)(CNN)稱，這次點(diǎn)火裝置產(chǎn)生能量只夠燒10壺開水，而為了達(dá)成這個目標(biāo)，NIF用了將近10年時間。

NIF的點(diǎn)火裝置始于2010年，至今已經(jīng)投入12年時間，累計(jì)投入的資金達(dá)到幾十億美元，他們用了十幾年時間才成功實(shí)現(xiàn)了“點(diǎn)火”。

本次實(shí)驗(yàn)所在的勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室主任 Kim Budil 博士則表示，“在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，是人類有史以來應(yīng)對的最重要科學(xué)挑戰(zhàn)之一。這次能夠?qū)崿F(xiàn)它，是我們在科學(xué)，在工程上的一次全人類的勝利?！?

NIF一直在嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產(chǎn)生的高溫高壓實(shí)現(xiàn)核聚變。12月5日，該研究團(tuán)隊(duì)將2.05兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，產(chǎn)生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，達(dá)到了“點(diǎn)火”標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)美能源部介紹，“國家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施”是全球最大、能量最高的激光系統(tǒng)，其使用超強(qiáng)激光束來產(chǎn)生與恒星和巨型行星核心以及核武器內(nèi)部相當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫?。此次核聚變?shí)驗(yàn)中，“國家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施”向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，首次展示了慣性約束核聚變的最基本科學(xué)原理。慣性約束核聚變是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的兩大主流方案之一(另一個是磁約束)，該技術(shù)利用激光的沖擊波使得通常包含氘和氚的燃料球達(dá)到極高的溫度和壓力，來引發(fā)核聚變反應(yīng)。

從去年開始在VC圈火爆的可控核聚變，一時間又成了科技圈的當(dāng)紅領(lǐng)域——無論是科技創(chuàng)業(yè)者，還是風(fēng)險投資人，都在為這一消息一鍵三連。用德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所的核聚變專家Thomas Klinger在1年前接受采訪時說的話是：“整個氛圍都變了，我們感覺離目標(biāo)越來越近了?！?

先簡單解釋下什么是可控核聚變。核聚變，是指將兩個較輕的原子，在極高溫、高壓下讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成一個較重的核和一個極輕的核(或粒子)。在此過程中，一部分聚變的原子核的物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為光子(能量)。這是太陽以及其他恒星內(nèi)部源源不斷產(chǎn)生能量的方式。

最早的人工核聚變技術(shù)在氫彈上得到體現(xiàn)，但是不受控制的。上世紀(jì)50年代，人類開始研究用于民用目的的可控核聚變。

如同1942年芝加哥大學(xué)的網(wǎng)球場上建起了第一座人工核反應(yīng)堆 “馴服” 核裂變一樣，人類社會始終探尋將核聚變從不受控制的氫彈爆炸轉(zhuǎn)變成可控的、源源不斷的商用清潔能源。

在物理學(xué)的認(rèn)知中，宇宙間所有恒星的能量都起源于兩個氫原子核的聚變反應(yīng)，因此可控核聚變計(jì)劃又常常被稱作“人造太陽”。

如果說可控核聚變的理想是宇宙星辰，現(xiàn)實(shí)就是光年的距離，每一步都是艱難異常的可行性丈量，至今離終點(diǎn)還很遙遠(yuǎn)。

“萊特兄弟時刻”

2021年8月，美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)通過激光核聚變實(shí)驗(yàn)創(chuàng)下了輸出能量的歷史最高記錄，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家Omar Hurricane將其稱作 “萊特兄弟時刻”。

事實(shí)上，NIF的點(diǎn)火之路始終與質(zhì)疑共存。

證明可控核聚變科學(xué)可行性的第一步就是“Q>1”，即輸出的能量大于維持反應(yīng)所需輸入的能量，核聚變反應(yīng)可以依靠自身產(chǎn)生的能量維持。這一臨界狀態(tài)被稱作收支平衡，也叫“點(diǎn)火”。

對于輸入能量大于輸出能量，NIF團(tuán)隊(duì)重新定義了“科學(xué)收支平衡”——為達(dá)到核聚變火所需的高溫高壓條件，點(diǎn)火裝置使用了192束紫外激光轟擊靶標(biāo)。而激光效率極低，通常只有1% 左右能夠成功轟擊到目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)建議計(jì)算Q值時將輸入能量看作激光能量，而非外界供給的總能量，刻意忽略了激光的低命中率。

我國的磁約束聚變研究與國際基本同步，近年來，我國托卡馬克實(shí)驗(yàn)取得多項(xiàng)進(jìn)展，如中國環(huán)流器二號A(HL-2A)裝置歸一化比壓突破3，東方超環(huán)(EAST)實(shí)現(xiàn)了千秒量級長脈沖運(yùn)行等。特別是2020年建成的新一代“人造太陽”HL-2M是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變研究大科學(xué)裝置平臺。2022年，HL-2M裝置創(chuàng)造了國內(nèi)等離子體運(yùn)行新紀(jì)錄，等離子體電流達(dá)到115百萬安培，意味著該裝置未來可以在超過1兆安培的等離子體電流下常規(guī)運(yùn)行，開展前沿科學(xué)研究，對我國深度參與ITER實(shí)驗(yàn)及自主設(shè)計(jì)運(yùn)行聚變堆具有重要意義。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，可控核聚變研究接連取得重要突破，隨著科技不斷進(jìn)步，核聚變能源有望在本世紀(jì)中葉造福人類。核聚變能一旦實(shí)現(xiàn)商用，地球上的能源將取之不盡用之不竭，因能源消耗帶來的環(huán)境問題及能源短缺帶來的社會問題有望得到根本解決，人們的生活和科技水平也將因此而得到極大提高。