（為了產(chǎn)生聚變點火，國家點火設施的激光能量在裝有可聚變?nèi)剂系难b置（稱為黑腔）內(nèi)轉化為 X 射線。然后，這些 X 射線會壓縮燃料艙，直至其內(nèi)爆，產(chǎn)生高溫高壓等離子體，發(fā)生聚變。）
要點
2022 年 12 月，國家點火裝置在核聚變研究中達到了前所未有的里程碑：突破了被夸耀的“收支平衡”點。
現(xiàn)在，第二次以更高的效率從聚變反應中釋放出比用于產(chǎn)生聚變反應的能量更多的能量：對最初突破的重復、驗證和改進。
“核聚變還需要 50 年，而且永遠如此”這句老話已不再適用。但我們會在正確的地方投入足夠的資源來實現(xiàn)這一目標嗎？
去年，即 2022 年 12 月 5 日，實現(xiàn)了一個令人難以置信的里程碑：核聚變反應首次實現(xiàn)了所謂的凈能量增益。值得注意的是，核聚變反應釋放的能量超過了輸入到反應中的（有用）能量。這不是通過磁約束聚變反應堆實現(xiàn)的，磁約束聚變反應堆是全球大部分聚變資金的集中地，也不是通過數(shù)百個致力于將商業(yè)聚變帶給公眾的私人實驗室中的任何一個實現(xiàn)的，而是通過一個基本上被遺忘的來源實現(xiàn)的：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置。
今年，即 2023 年 7 月 30 日，國家點火設施再次做到了這一點，而且以一種更加出色的方式：重復了他們的結果，并實現(xiàn)了比去年 12 月更高的能源產(chǎn)量。盡管美國政府用于核聚變研究的資金微不足道，但所有這一切還是實現(xiàn)了：所有努力每年平均僅投入五億美元。隨著最近的這一確認，發(fā)展廣泛的核聚變作為清潔、碳中和能源經(jīng)濟的支柱的道路現(xiàn)在比以往任何時候都更加清晰。但為了真正實現(xiàn)這一目標，我們不僅需要勇敢、大膽，還需要專注，因為干擾和陷阱可能真正使我們偏離最終目標。
最終目標
讓我們直言不諱地說：最終目標是通過核聚變過程創(chuàng)造幾乎無限量的能源，使人類能夠向清潔能源經(jīng)濟過渡。這將是一個沒有以下問題的經(jīng)濟體：
化石燃料的污染影響，
開采和提取稀有原材料的需要，
核電站熔化或爆炸的風險，
以及當前風能、水力發(fā)電或太陽能等綠色能源帶來的變化無常、不穩(wěn)定的供應。
我們都清楚能源生產(chǎn)的污染影響，以及二氧化碳水平上升對全球氣溫、水資源供應、海洋酸化和世界許多其他生態(tài)方面的影響。我們還敏銳地意識到，為了為地球上超過 80 億（以及不斷增加的）人類的現(xiàn)代生活提供動力，需要一種安全、可靠且極其高效的能源。
然而，鎖定在太陽內(nèi)部的能量，即輕元素在高密度和極端溫度下融合成重元素，可以為我們的能源生產(chǎn)需求提供理想的解決方案。這就是核聚變的希望。
但要實現(xiàn)這一目標，僅僅產(chǎn)生這些核聚變反應還不夠：我們 70 多年來一直有能力做到這一點。由愛德華·泰勒策劃的氫彈是地球上核聚變的一個壯觀的例子。然而，這種能量不能輕易地轉化為可用的電能，因為它的量級太大——太多的“一次性”現(xiàn)象——難以利用。
相反，我們需要以受控、可重復的方式產(chǎn)生核聚變反應。聚變能必須以小劑量連續(xù)或突發(fā)地發(fā)射，然后該能量可用于煮水、轉動渦輪機或執(zhí)行機械功，然后將其提取并轉化為可用的電能，就像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣。
然后，將會出現(xiàn)工程和效率問題，例如：
我們?nèi)绾尾拍茏畲蠡瘍裟芰吭鲆妫?/span>
我們怎樣才能最大限度地減少引發(fā)聚變反應所需的能量，
我們?nèi)绾尾拍芤园葱璺绞疆a(chǎn)生所需的能源，
我們怎樣才能長距離傳輸這種聚變產(chǎn)生的能量，
我們?nèi)绾纬晒S護用于產(chǎn)生這些反應的設備，
我們?nèi)绾纬晒ξ站圩冞^程中發(fā)出的雜散中子，并防止這些反應產(chǎn)生的放射性物質(zhì)污染我們的環(huán)境？
但為了實現(xiàn)這一目標，我們首先需要通過盈虧平衡點：聚變反應產(chǎn)生的能量多于最初引發(fā)這些反應所需的能量。
目前的成就
當國家點火設施于 2022 年 12 月首次宣布這一消息時，這是一件大事，而他們在 2023 年 7 月底再次這樣做（證明了可重復性）也是一件大事：他們已經(jīng)證明，他們已經(jīng)通過了盈虧平衡點聚變反應。他們已經(jīng)實現(xiàn)了凈能量增益，如果你觀察產(chǎn)生聚變反應的能量——入射到目標上的能量——并將其與隨后的聚變產(chǎn)生的能量進行比較反應產(chǎn)生的能量大于進入其中的能量。
然而，需要明確的是，這通過了科學家談論它的方式的“盈虧平衡”點，而不是大多數(shù)人和大多數(shù)企業(yè)談論它的方式。差異如下。
當科學家談論“盈虧平衡”點（或本文中的“凈能量增益”）時，他們談論的是進入反應的這一特定步驟的能量與從中產(chǎn)生的能量。它們不包括在設置系統(tǒng)的準備步驟中使用的能量，也不包括提取該能量并將其轉換為下游可用的某種能量所需的任何步驟。
另一方面，我們大多數(shù)人，當我們談論能源（或其他任何東西）方面的“收支平衡”時，我們只關心總體的、從開始到結束的總計：我們投入了多少。與我們得到的可用量進行比較。
如果我們像一些人堅持的那樣堅持第二個定義，那么我們距離盈虧平衡目標還有很長的路要走。在我們擁有商業(yè)上可行的核聚變發(fā)電廠之前，所有“工程和效率”問題仍然必須得到處理和克服。
但我們絕不能低估國家點火裝置所取得的成就的重要性。2022 年 12 月，他們從各個方向向充滿輕元素的小球壁發(fā)射了 192 束激光：這些元素和同位素與太陽中普遍存在的元素和同位素相同。擊中目標的激光總能量為 2.05 兆焦耳（以焦耳為單位（物理學家的能量單位，每秒一焦耳是更熟悉的瓦特，即功率單位））。在隨后的聚變反應中釋放的能量遠不止于此：3.15 兆焦耳。這是反應產(chǎn)生的凈能量增益，以及以下方面的改進：
發(fā)射激光的數(shù)量，
入射能量總量，
或激光撞擊顆粒的幾何形狀，
預計只會增加能量增益。盡管進行該實驗的實驗室勞倫斯利弗莫爾國家實驗室尚未公布最終數(shù)據(jù)和細節(jié)，但他們已確認 2023 年 7 月的測試期間的凈能量增益比 2022 年 12 月早些時候的測試更大。我們現(xiàn)在正處于盈虧平衡后時代，對于反應中最重要的部分（即產(chǎn)生聚變反應的部分），“能量輸出”大于“能量輸入”。
其他方法：科學與炒作的結合
國家點火裝置使用的方法是將小顆粒加熱到極高的溫度，在這個熱的、富含氫的體積內(nèi)引發(fā)聚變反應，這種方法被稱為慣性約束聚變。這就像一次非常非常小的爆炸，周圍材料的質(zhì)量（即彈丸外層的慣性）限制了聚變反應，使其能夠持續(xù)足夠長的時間以實現(xiàn)凈能量增益。
然而，這并不是唯一有效的方法。
還有磁約束聚變，其中加熱的等離子體被限制在稱為托卡馬克的環(huán)形裝置內(nèi)，并且磁場用于保持等離子體受到限制。在這些溫度和密度下，會發(fā)生核聚變反應，但保持等離子體受到限制——防止其撞擊內(nèi)壁或外壁，并使其處于聚變反應能夠以持續(xù)的方式持續(xù)發(fā)生的狀態(tài)——是最具挑戰(zhàn)性的方面這。世界各地都有小型、獨立運行的托卡馬克裝置，國際上最大的建造此類聚變反應堆的項目——國際熱核聚變實驗堆（ITER）已經(jīng)在期待著有趣的結果。目前，英國的JET托卡馬克裝置于2021年12月生產(chǎn)了5 秒內(nèi)持續(xù)提供 59 兆焦耳的能量，但在 ITER投入運行之前，沒有人期望磁約束聚變能夠超越收支平衡。
還有一些“混合”方法，試圖利用慣性約束方法（例如壓縮）和磁約束方法（例如使用磁場和等離子體）的各個方面來實現(xiàn)聚變，但成功程度差異很大，但沒有一個能達到各種托卡馬克和國家點火裝置所取得的成就。
從物理學的角度來看，這些混合方法中的許多方法都很有趣，并且有許多真正的物理學家參與其中，但江湖騙子在這個領域也無處不在，包括所有涉及所謂“冷聚變”或其試圖重新命名為低聚變的努力。能源核反應（LENR），因為迄今為止這些嘗試都失敗了所有實驗測試。（μ子催化聚變除外，這不是商業(yè)聚變的可行途徑。）
任何聚變努力成功的關鍵是長期產(chǎn)生能實現(xiàn)凈能量增益的聚變反應。盡管許多私營部門公司提出了許多瘋狂的主張，但只有托卡馬克式方法和國家點火裝置才有可能在可預見的未來實現(xiàn)并超越這一自吹自擂的盈虧平衡點。
聚變研究投資不足的問題
核聚變最令人費解的方面之一就是，如果氣候變化的代價如此之大，而我們現(xiàn)在已經(jīng)通過核聚變達到了盈虧平衡點（商業(yè)可行性的主要物理障礙），那么我們?yōu)槭裁床煌度氪罅抠Y金實現(xiàn)核聚變的資源？
根據(jù)公開數(shù)據(jù)，美國政府自 1954 年以來一直通過能源部資助核聚變研究。使用這段時間內(nèi)通貨膨脹調(diào)整后的數(shù)字（以現(xiàn)代美元計算），我們累計投資了340 億美元用于核聚變研究：包括對 ITER 的貢獻。相比之下，據(jù)估計，去年與氣候變化相關的極端天氣事件給美國造成了 1650 億美元的損失。
考慮一下。2022 年，氣候變化引發(fā)的極端天氣事件給美國（僅）造成了 1,650 億美元的損失。累計起來，從 1954 年到 2021 年（我掌握數(shù)據(jù)的最后一年），在這 68 年的時間里，我們在核聚變研究上總共投資了 340 億美元：平均每年僅為 5 億美元。
科學家們用如此少的資源卻取得了如此大的成就，這確實令人驚奇。在美國每年 1.7 萬億美元的可自由支配支出中，只有 0.0005 萬億美元（不到 0.03%）用于科學研究，尋找解決地球能源和氣候問題的最明確途徑。如果說有一個地方值得我們投入資金以獲得最大的長期投資回報，那就是這個地方了。
是的，各方面還有很多工作要做。如果 ITER 能夠通過磁約束聚變實現(xiàn)收支平衡，那么商業(yè)聚變的道路就會變得清晰：需要在以下領域取得進展：
先進的等離子操作模式，
更好地理解和控制等離子體壁相互作用，
測試能夠承受托卡馬克內(nèi)部條件的材料，
和電力提取方法，
為了使其具有商業(yè)可行性。
雖然許多人斷言與慣性約束聚變相關的工程距離實現(xiàn)商業(yè)可行性還很遠，但事實仍然是，NIF 所取得的成果——聚變反應的凈能量增益——向我們表明，如果我們想要它，就可以實現(xiàn)至少有一條現(xiàn)成的路徑可以明確地將我們帶到商業(yè)聚變反應堆。
成功之路
如果我們想要的話，使用國家點火設施的裝置制造可行的聚變反應堆的方法如下。
我們需要準備一種方法，在聚變球上有效地產(chǎn)生可重復的入射能量，從 2.05 MJ（實現(xiàn)盈虧平衡）一直到 5 MJ，這是預期的最大能量產(chǎn)量/效率。
我們需要找到一種方法來添加新的顆粒并從裝置中移除用過的顆粒，并以可重復、快速的方式準備新樣品以進行融合。
我們需要建立一種機制，能夠?qū)⑺a(chǎn)生的能源轉化為可提取、可用的能源，以便傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。
我們需要一種成功存儲和生產(chǎn)能量的方法，以便可以根據(jù)需要進行分配，因為由于這種聚變的脈沖能量產(chǎn)生性質(zhì)，“按需創(chuàng)造”可能很困難。
我們需要解決聚變反應過程中產(chǎn)生的自由中子的問題，以防止危險的放射性廢物的積累。
然而，這些都不是不可克服的科學問題。這些問題應該在正常的研究和開發(fā)過程中得到解決。重要的一點是：科學已經(jīng)到來，并且已經(jīng)以可重復的方式得到證明，將在 21 世紀下半葉將核聚變技術帶入我們的生活。唯一的問題是，在開發(fā)這項技術時，我們是否會繼續(xù)“大刀闊斧、精打細算”，或者我們是否最終會擁抱尖端科學，以及它有潛力為人類帶來的所有好處。行星地球。
