相当于烧开10壶水！美国宣布“人造太阳”重大突破

当地时间12月13日，美国能源部和美国国家核安全局（NNSA） 联合宣布，加州劳伦斯利佛摩国家实验室（LLNL）科学家采用“惯性约束聚变”方法，即用世界上最大的激光撞击一个微小的氢等离子体颗粒，使用实验性质的核聚变反应炉，在过去两周的一次可控聚变实验中实现聚变点火，获得了“能量净增益”（Net Energy Gain）（Q＞1）。

美国做到了什么？

据悉，这一技术成果有三大里程碑式突破：首次证明了惯性聚变能 （IFE） 的基础科学能力；美国正朝着核聚变发电厂建造，以及无限、零碳能源的目标迈出了关键一步；有望应对世界能源价格高企和迅速减少化石燃料燃烧的需求。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在一份声明中称，这一突破是一项“里程碑式的成就”。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

此外，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔（Kim Budil）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。

美国有线电视新闻网（CNN）援引知情人士的消息称，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的科学家首次成功在核聚变反应中，获得“净能量增益”。

《华盛顿邮报》称，核聚变研究的目的是复制在太阳上产生能量的核反应。自20世纪50年代以来，这是科学家们一直在追求的无碳能源的“圣杯”。它距离投入商业使用至少还有十年，甚至几十年，但拜登政府可能会把这一最新进展吹捧为政府多年来大规模投资的收获。有美国国会众议员甚至声称，“它很可能会改变世界的游戏规则。”

　　 美国科技媒体 The Verge 评价道，利用核聚变可能是革命性的——为人们提供丰富的能源，而不会受到温室气体排放或持久放射性废物的有害副作用。然而，这样做取决于克服巨大的工程障碍。经过几十年的实验，这次宣布代表了对这些障碍之一的微小但重大的胜利。但是，要实现任何清洁能源梦想，还有很长的路要走。

　　 但有美资深核聚变科学家直言 ，“对我们大多数人而言，（成功）只是时间早晚问题。”《华盛顿邮报》称，虽然这一成就意义重大，但未来仍存在巨大的挑战。创造“净能量增益”需要世界上最大的激光器之一的参与，并且需要大量资源来重新建立所需的反应规模，使核聚变实际用于能源生产。更重要的是，工程师还没有开发出能够以经济实惠的方式将这种反应转化为电力，并实际应用到电网中的机制。科学家称，制造足够大的设备大规模产生核聚变能量，将需要极其难以生产的材料。同时，反应产生的中子会给设备带来巨大压力，令其在反应过程中被摧毁。

“人造太阳”成了？

核聚变实验成功的关键就在于“净能量增益”，即得到的能量大于投入的能量。而自20世纪50年代以来，人类还没有能够从核聚变反应中实现“净能量增益”。

据悉，耗资35亿美元的美国国家点火装置（NIF），最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器，后用于推进聚变能研究。占地面积有三个足球场大的NIF从2010年开始正式的点火实验， 美国用了10多年时间不断冲击点火目标，过程一波三折。

2014年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家获得成果，但当时产生的能量非常小，相当于一个60 瓦的灯泡在5分钟内消耗的能量。2021年8月，NIF在一次聚变反应中产生了1.37兆焦耳的能量，约为那次激光能量的70%，是世界上最接近净能量增益的一次。

据知情人士透露，研究人员使用了2.1兆焦能量的反应物，释放了2.5兆焦耳的能量。但实验室称，具体的输出仍在计算中，虽然“超出预期”，但不一定超过2.1兆焦。两名了解该实验结果的消息人士称，由于能量输出高于预期，一些设备损坏，后续分析变得很复杂。如果确实超过2.1兆焦，这意味着人类首次在核聚变反应中实现了净能量增益。

核聚变工作原理。图片来源：BBC

几十年来，实现能量增益一直被视为证明商业核聚变电站可行的关键一步。然而，它仍有几个障碍需要克服。

首先，实验中的能量增益只是将产生的能量与激光器中的能量进行比较，而不是与从电网中提取出为系统供电的总能量进行比较。事实上，每次发射都需要330兆焦耳的电能，以400微秒的脉冲串形式传送。

而且，NIF 为激光提供动力的系统已经很旧了，也不是为了最大的能源效率而设计的。然而，科学家们仍然估计，商业核聚变将需要产生30到100倍输入能量的聚变反应。NIF 每天最多只能发射一次，而一个使用惯性约束聚变技术的发电厂可能需要一秒钟完成几次发射。

“这个实验清楚地证明了激光聚变的物理学是有效的，”等离子体物理学家 Robbie Scott 表示，他对NIF的研究做出了贡献，“下一步工作将包括展示更高的聚变能量增益，以及进一步开发更有效的方法来驱动内爆。”

什么是核聚变？

据国际原子能机构的定义，核聚变反应是模仿太阳的能量转换过程，使较轻的原子核结合成较重的原子核。这一过程会释放出巨大能量。理论上，几克反应物就可产生一太（即一万亿）焦耳的能量，而这大约是发达国家一个人在60年内所需的能量。

与化石能源相比，核聚变反应不排放二氧化碳；与目前广泛应用的核能（核裂变）能相比，它既不会产生核废料，辐射也极少。由于其清洁且高能的特性，核聚变技术被视为清洁能源的“圣杯”。

可控核聚变所需要的原料是氢元素中的两个同位素氘和氚。氘可从海水中提取，氚可以由地球上储量非常丰富的锂生成。据估测，1升海水中提取出的氘若完全参与聚变反应，放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。而氚又名超重氢，半衰期12年，它与氘之间的聚变反应相对起来最容易。

中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）

法国的ITER实验装置

到目前为止，人类对受控核聚变的研究主要分为两类：一是磁约束核聚变，典型的实验装置如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）和法国的ITER实验装置。

我国的神光激光装置

二是激光核聚变，典型实验装置如我国的神光激光装置和美国的国家点火装置（NIF）。占地面积有三个足球场那么大的NIF采用传统的中心点火激光核聚变方案。

中国走到了哪一步？

　　上世纪80年代，中国制定了“三步走”——热堆、快堆、聚变堆的核能发展战略，随后加入ITER （注：ITER计划是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，目的是通过建造反应堆级核聚变装置，验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性。） ，进一步推动中国聚变能源研究进入国际阵营，主要为建成中国自己的核聚变反应堆做准备。

从1960年开始，中国以“托卡马克”为主要研究途径，利用此技术先后建成并运行三大聚变反应堆：华中科技大学的J-TEXT装置、核工业西南物理研究院的HL-2M装置和中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、素有“人造太阳”之称的EAST全超导托卡马克装置（东方超环），向ITER提供结果。

2020年12月，中国新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在四川成都的核工业西南物理研究院正式建成并实现首次放电；

2021年12月，中国“人造太阳”EAST成功实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，成为世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行，打破世界纪录；

2022年10月，中国宣布EAST装置的等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造可控核聚变装置运行新纪录，让中国核聚变研究实现从跟跑、并跑到领跑的跨越。

根据规划，中国以现有中、大型托卡马克装置为依托，瞄准国际核聚变前沿课题研究，其在磁约束聚变领域建立了近期、中期和远期技术目标：最终到2050年，中国或将发展聚变电站，探索聚变商用电站的工程、安全、经济性。

国际方面，根据国际原子能机构公布的数据显示，目前全球在运营的核聚变装置有96座，在建的核聚变装置有11座，计划建设的装置则有29座。其中，公共事业机构旗下的核聚变装置总数为107座，装置数量排名前五的国家分别是：美国、日本、俄罗斯、中国和英国。

距离现实还有多远？

如果人类有一天能大规模应用核聚变作为能源，无疑意味着地球能源结构翻天覆地的重构。此次核聚变实现净能量增益，让我们离这一天还有多远呢？

科学界认为，要用上核聚变能，需要经历实验室点火和燃烧、聚变发电演示和商用发电三个阶段，目前我们还处于第一阶段，而且还有很多挑战尚未解决。

牛津大学物理学教授、LLNL实验室核聚变项目的咨询专家Justin Wark表示，LLNL实验室理论上可以每天重复一次类似的点燃成果，但核聚变电厂需要的是每秒钟十次。

另一方面，净增益能量也需要大幅提高。剑桥大学核能讲师Tony Roulstone表示，根据《金融时报》当时报道的数据，实验室为产生激光而投入了500兆焦的能源，最终输送到靶丸上的能源才1.8兆焦，虽然最后实现了净能量增益（2.5兆焦），但从整个过程来看，实际上产出只占投入的0.5%。从工程学的角度而言，最终需要产出的能量为投入激光组能量的两倍才算达到目标，因为从聚变热能转化为电力的过程中还会产生能量损失。

“因此可以说，国家点火设施的实验结果是一项科学上的成功，但离提供可用的、充足的清洁能源还有很长一段路要走，” Tony Roulstone表示。

假如核聚变还需要数十年才能投入应用，那么它对于应对迫在眉睫的气候变化可能无法发挥重要作用。

科学倡导组织忧思科学家联盟（Union of Concerned Scientists）的核能安全主管Ed Lyman对政治新闻网Politico表示：“不是说要贬低他们的成就，但还是得谨慎看待。核聚变对于实现脱碳而言晚得不是一点点。我们需要在接下来的一二十年努力脱碳，而就算根据最乐观的预估，核聚变能也要2040年才能出现。”

这一时间节点也是很多核聚变产业人士的预测，不过核聚变的布局时间线并不可靠。早在2012年，国家点火设施的主管曾预测十年内聚变技术就能达到商业可行性，但现在这个时间点已经差不多过去了。

First Light Fusion创始人Nick Hawker表示，对于能源领域而言，本次实验结果不会产生直接的影响，必须继续投入风能、太阳能等可再生能源。“这不是解决气候变化的灵丹妙药，但是我们需要清洁的基本负载电力，这是核聚变发挥作用的地方，” Nick Hawker表示。

帝国伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任 Jeremy chittenden 认为，美国的最新突破“相当于烧开10壶水”的水平，为了使这项技术能够发挥发电站的作用，还需要多得多的能源。

Jeremy chittenden表示，这一实验从科学的角度展示了一个高聚变后能量增益的过程。“但要将其转化为发电站，我们需要开发更简单的方法来达到这些条件，这些条件需要更高效，最重要的是更便宜。”他补充说，任何从事聚变工作的人都会很快指出，从展示“能量增益”到真正实现应用还有很长的路要走。

责任编辑：蔺弦弦