歷經(jīng)幾十年，可控核聚變的里程碑終于到來。
史上首次，人類實(shí)現(xiàn)了輸出能量大于輸入能量的可控核聚變。
在定義上，這一過程被稱為「點(diǎn)火」（ignition）。
人類歷史上第一次意義重大的能源進(jìn)步，是對火的控制和利用。
如今我們再次舉起火把，讓人造太陽不再是天方夜譚。
12 月 13 日，加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室宣布，首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)「凈能量增益」（即產(chǎn)生的能量超過了消耗的能量），在可控核聚變的道路上更進(jìn)一步。
這些陌生的名詞可能讓人霧里看花，先讓我們了解一下「可控核聚變」的概念。
核聚變是兩個(gè)較輕的原子核聚合為一個(gè)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，恒星其實(shí)就是一個(gè)個(gè)的天然核聚變裝置。
▲ 圖片來自：istock
比起核裂變、焚燒化石燃料，核聚變有很多好處：
它不排放碳，不產(chǎn)生核裂變般的核輻射和核廢料；由于核聚變需要極高溫度，一旦燃料溫度下降，聚變反應(yīng)就會(huì)自動(dòng)中止；一小杯氫燃料，理論上可以為一所房子提供數(shù)百年的能源。
所以，聚變能是一種接近無限的、清潔的、安全的新能源。
▲ 聚變是宇宙的能量來源，發(fā)生在太陽和恒星的核心.
如果人類能夠以可控的方式，復(fù)制太陽的聚變反應(yīng)，那會(huì)怎么樣？
這種可控核聚變的愿景，被俗稱為「人造太陽」。
可控核聚變的終極目標(biāo)，是讓海水中大量存在的氘在高溫條件下發(fā)生核聚變，為人類提供源源不斷的清潔能源，替代化石原料和常規(guī)核能，且資源耗損遠(yuǎn)低于太陽能和風(fēng)力發(fā)電。
▲ 聚變反應(yīng).
然而，太陽的核聚變靠自身引力提供的重力場約束，我們在地球上無法模仿，與此同時(shí)，太陽上的高溫高壓為聚變反應(yīng)創(chuàng)造了必要的條件，地球上的聚變反應(yīng)需要用更高的溫度補(bǔ)償。
相關(guān)研究從上世紀(jì) 50 年代就開始了，困擾科學(xué)家的地方在于，聚變反應(yīng)消耗巨大的能量，如何讓產(chǎn)生的能量超過消耗的能量。難上加難的是，能量還得持續(xù)穩(wěn)定地輸出，不能曇花一現(xiàn)。
12 月 5 日，勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，通過「慣性約束聚變」技術(shù)，終于實(shí)現(xiàn)了「凈能量增益」的聚變反應(yīng)，朝著人造太陽更近了一步。
研究人員將 192 束巨型激光射入一個(gè)橡皮擦長度的鍍金黑腔，強(qiáng)烈的能量將容器加熱到超過 300 萬攝氏度，容器內(nèi)裝有胡椒粒大小的燃料顆粒。
▲ 激光的「靶子」很小，但是「靶室」很大.
激光不斷反射加熱，最終產(chǎn)生 X 射線。X 射線剝離了顆粒的表面，引發(fā)了類似火箭的內(nèi)爆，將溫度和壓力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能實(shí)現(xiàn)的極端，內(nèi)爆的速度達(dá)到每秒 400 公里，導(dǎo)致氘和氚聚變。
最終，在持續(xù)不到萬億分之一秒的瞬間，激光輸入的能量為 2.05 兆焦耳，聚變產(chǎn)生的中子的能量是 3.15 兆焦耳，后者除以前者，能量增益大于 1。
雖然「凈能量增益」的聚變反應(yīng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但想在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外實(shí)踐，甚至投入商用，仍然是路漫漫其修遠(yuǎn)兮。
首先，「凈能量增益」只反映了聚變反應(yīng)本身，為激光供電的 300 兆焦耳并沒有被計(jì)算進(jìn)去。從電能到激光的轉(zhuǎn)換效率很低，如果計(jì)算輸出電能到輸入電能之比，能量增益小于 1。
其次，在能源生產(chǎn)所需的規(guī)模上重現(xiàn)這種聚變反應(yīng)，需要大量的資源。
▲ 國家點(diǎn)火裝置（NIF），世界上最大和最高能量的激光器.
以及，將產(chǎn)生的能量部署到電網(wǎng)的機(jī)器，工程師們還沒有開發(fā)出來。
所以，核聚變距離商用至少還有十年，也可能是幾十年，發(fā)電廠更是遙遙無期。
目前，勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的激光大約每天只發(fā)射一次，成本又極高，短時(shí)間不可能建立起一個(gè)可行的發(fā)電廠。
在新聞發(fā)布會(huì)上，勞倫斯·利弗莫爾主任 Kim Budil 表示，發(fā)布會(huì)代表的是一次聚變點(diǎn)火，但要實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變發(fā)電，還需要做許多事，其中包括「每分鐘產(chǎn)生許多次核聚變點(diǎn)火」。
▲ 核聚變的藝術(shù)渲染圖.
類似地，核聚變也無法在短時(shí)間內(nèi)投入氣候保護(hù)。
能源技術(shù)專家 Julio Friedmann 指出，現(xiàn)在取得的成果非常重要，如果不能實(shí)現(xiàn)輸出的能量大于輸入的能量，就無法成為能量的來源。但它在未來 20-30 年里都不會(huì)對氣候減排做出有意義的貢獻(xiàn)，這就是點(diǎn)火柴和造燃?xì)廨啓C(jī)的區(qū)別。
要將升溫限制在 1.5 攝氏度的「安全線」，我們必須在 2050 年前實(shí)現(xiàn)凈零排放。依靠核聚變擺脫氣候危機(jī)，是一個(gè)遙不可及的夢想。
羅切斯特大學(xué)教授、激光聚變專家 Riccardo Betti，將核聚變的這次突破，比作人類第一次知道如何將石油提煉成汽油：
「你仍然沒有引擎，你仍然沒有輪胎，你不能說你有車?！?/span>
人類邁出了一大步，但前面可能還有幾千幾萬步。
在過去的幾十年里，許多國家都在推進(jìn)可控核聚變。
上文提到的慣性約束，是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的兩大主流方案之一，另一個(gè)是磁約束。
事實(shí)上，磁約束是目前各國主攻可控核聚變的方向，「托卡馬克」裝置就是最著名的磁約束核聚變的方法。
托卡馬克是一種環(huán)形裝置，通過約束電磁波驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)造氘、氚實(shí)現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫，并實(shí)現(xiàn)人類對聚變反應(yīng)的控制。
▲《鋼鐵俠》方舟反應(yīng)爐就是可控核聚變.
《鋼鐵俠》的方舟反應(yīng)爐有些像托卡馬克，無論是史塔克工業(yè)基地的方舟反應(yīng)堆，還是鋼鐵俠戰(zhàn)甲胸口的迷你反應(yīng)堆，都叫「磁約束（核）聚變反應(yīng)堆」。
盡管可控核聚變技術(shù)和托卡馬克裝置最早起源于國外，但我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了后來者居上，處于世界前沿。
建成于 2006 年的中國「人造太陽」EAST，全稱為「全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置」，又稱「東方超環(huán)」，由中國科學(xué)院等離子體物理研究所建在合肥。
2021 年底，EAST 實(shí)現(xiàn)了 1056 秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，其間電子溫度近 7000 萬攝氏度，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長時(shí)間紀(jì)錄。
▲ EAST.
2020 年 12 月 4 日，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院自主設(shè)計(jì)、建造的新一代「人造太陽」裝置（HL-2M）建成。
今年 10 月，HL-2M 取得了突破性進(jìn)展——等離子體電流突破 100 萬安培（1 兆安）。
未來，托卡馬克聚變堆必須在兆安級電流下穩(wěn)定運(yùn)行，所以，這次突破也標(biāo)志著我國核聚變距離聚變點(diǎn)火越來越近。
▲ HL-2M.
「人造太陽」是世界極度關(guān)注的大科學(xué)問題，在下一代清潔能源面前，國與國是利益相關(guān)的合作伙伴關(guān)系，最具代表性的是 2006 年啟動(dòng)的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目。
它是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際大科學(xué)工程之一，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國、印度等成員國參與其中，各國共同造出來的一顆「人造太陽」，是目前世界規(guī)模最大的核聚變反應(yīng)堆，坐落在法國南部卡達(dá)拉舍。
ITER 本體的組裝工作預(yù)計(jì)于 2025 年結(jié)束，在接下來的幾年里，ITER 的部件將從各個(gè)成員國運(yùn)輸至卡拉達(dá)舍。我國作為平等成員方之一，承擔(dān)了 ITER 建設(shè)階段 9.09% 的工作，并享有 ITER 100% 的技術(shù)成果使用權(quán)。
▲ ITER 在 2018 年的建設(shè)狀況.
煤、石油、天然氣有枯竭的危險(xiǎn)，并帶來環(huán)境污染；風(fēng)能、水能、太陽能等受限于天氣或地理?xiàng)l件；核裂變所需要的鈾、钚等元素儲(chǔ)量有限，還會(huì)產(chǎn)生放射性。
相比之下，可控核聚變技術(shù)，是被全人類寄予厚望的未來能源方式，有「終極能源」之稱，因?yàn)樗鼛缀跄芤粍谟酪莸亟鉀Q能源問題。當(dāng)它真正投入商用，除了氣候效益之外，還可以為貧困地區(qū)帶來廉價(jià)電力。
前景是美好的，道路是曲折的，希望在目之所及的未來，能夠見證「人造太陽」冉冉升起。
