北京時間2022年12月13日23點(diǎn)，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室宣布，該機(jī)構(gòu)的國家點(diǎn)火裝置（NIF）成功首次實(shí)現(xiàn)了能量輸出大于激光能量輸入的可控核聚變反應(yīng)。據(jù)悉，驅(qū)動核聚變的激光輸入能量大約2.1兆焦，而聚變輸出的能量大約2.5兆焦，用術(shù)語來講就是實(shí)現(xiàn)了大于1的能量增益（實(shí)現(xiàn)盈利）。

要注意的是，如果考慮到從電能到激光能量的轉(zhuǎn)換效率，整體的能量增益尚未大于1（尚未盈利）。但這的確是一項(xiàng)非常重要的進(jìn)展，人類在實(shí)用化可控核聚變的道路上又前進(jìn)了一大步。

圖注：NIF的前置激光放大器。早在2012年就實(shí)現(xiàn)了500太瓦的瞬時峰值輸出功率，幾乎相當(dāng)于美國全境用電功率的1000倍。

這種利用激光打靶實(shí)現(xiàn)核聚變的方式是一種“慣性約束核聚變”。簡單講，科學(xué)家利用強(qiáng)激光脈沖快速注入核聚變材料中，在聚變材料還沒來得及散開的情況下達(dá)到點(diǎn)火條件，瞬間實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。

圖注：NIF激光慣性核聚變使用的燃料靶丸，里面可盛放氘氚氣體。

圖注：激光打靶腔室。

另一種可控核聚變方式是磁約束核聚變，我們時常能聽到的“托克馬克“就是磁約束聚變的一種常用構(gòu)型。我國位于安徽合肥的中科院等離子體所的”東方超環(huán)“（EAST）核聚變裝置就是”托克馬克“磁約束裝置。

什么是核聚變？什么是可控核聚變？

在核物理上，核聚變是指把較輕的原子核聚合成較重原子核的過程。其實(shí)，我們頭頂上燦爛的太陽和浪漫的星星（恒星）都是一個個的天然核聚變裝置。

圖注：太陽就是一種引力約束的天然核聚變堆。

但恒星是靠自身引力約束的核聚變裝置，人類在地球上無法復(fù)制和模仿。另外，人類早在1952年就實(shí)現(xiàn)了不可控的核聚變反應(yīng)，那就是氫彈爆炸！

圖注：氘氚核聚變原理圖。

要想實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)，必須要使等離子體達(dá)到“勞森判據(jù)”的條件，簡單講就是要使等離子體的溫度、密度和約束時間三者的乘積達(dá)到一個閾值才行。這個點(diǎn)火條件實(shí)現(xiàn)起來可不容易，人類已為此付出了半個多世紀(jì)的努力。

可控核聚變的實(shí)現(xiàn)路徑有哪些？

目前，可控核聚變有兩個大的方向：一種是利用強(qiáng)激光對核聚變材料進(jìn)行打靶的慣性約束核聚變的方向；另一種是利用強(qiáng)磁場約束等離子體的聚變方向。

本次曝出“大新聞”的美國國家點(diǎn)火裝置（NIF），就是利用強(qiáng)激光打靶的慣性約束核聚變方式的最具代表性的實(shí)驗(yàn)裝置。從機(jī)理上看，這種方式猶如用激光引爆一顆微型氫彈。

圖注：NIF上使用的巨大“閃光燈”，用于泵浦激光。

值得一提的是，我國著名物理學(xué)家王淦昌先生生前就致力于慣性約束核聚變的研究。據(jù)悉，中國運(yùn)行的最強(qiáng)系列激光裝置神光-I、神光-II和神光-III主要就是為這項(xiàng)研究做服務(wù)的。

圖注：我國可控核聚變裝置（EAST）。

文章開始我們也提到，利用磁場約束的核聚變方法，最出名的構(gòu)型是“托克馬克”裝置，這種裝置最早由蘇聯(lián)物理學(xué)家首先提出并建造的，是目前主流的核聚變裝置類型，包括位于安徽合肥的——全超導(dǎo)托克馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST），又稱東方超環(huán)、以及正在法國建設(shè)中的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（ITER）等等。

2021年5月28日，我國的EAST實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億度101秒等離子體運(yùn)行和1.6億度20秒等離子體運(yùn)行，再次創(chuàng)造托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行新的世界紀(jì)錄，為核聚變發(fā)電奠定了堅(jiān)實(shí)的物理和工程基礎(chǔ)。這個溫度也大大超過了太陽的中心溫度（約1500萬度）。

2022年，11月25日，國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（ITER）上的一個關(guān)鍵組成部分已經(jīng)在中國制造出來，標(biāo)志著這個日趨完成的國際項(xiàng)目取得突破。ITER裝置的建設(shè)是一項(xiàng)國際合作項(xiàng)目，由美國、中國、歐盟、英國、瑞士、印度、日本、韓國以及俄羅斯參與其中，計(jì)劃2025年開始運(yùn)營。

圖注：ITER建成后的效果圖。

此外，還有一種叫“仿星器”的磁約束核聚變構(gòu)型。德國馬普等離子體物理研究所擁有世界上最大的仿星器研究裝置，名字叫“Wendelstein 7-X”， Wendelstein是德國巴伐利亞州一座山的名字。該裝置在 2018 年實(shí)現(xiàn)了更高的溫度、更高的等離子體密度和更長的脈沖時間，突破了仿星器的世界紀(jì)錄。

除了慣性約束裝置和磁約束裝置，目前還有其他機(jī)理的約束裝置，但目前還處于初級探索階段，這里就不詳談了。

何時才能真正實(shí)現(xiàn)可控核聚變發(fā)電？

人類對核聚變能源已夢想了很久很久，因?yàn)楹司圩儙缀跏且环N“一勞永逸”的能源問題的終極解決方式。計(jì)算表明，一升海水中提取出的氘元素如果用于聚變反應(yīng)，釋放的能量相當(dāng)于300升汽油燃燒釋放的能量。

此前，在科學(xué)圈有個段子，我們離用上核聚變發(fā)的電永遠(yuǎn)要等50年。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我們離這個目標(biāo)不會再用50年了。李建剛院士曾說：“可控聚變是人類共同的夢想，擁有非常重要的意義。未來，我們希望能用20年時間，實(shí)現(xiàn)可控聚變工程化和商業(yè)化的進(jìn)程。”

由于聚變也是太陽發(fā)光的能量來源，這種在地球上人工控制聚變的實(shí)驗(yàn)裝置又被稱作“人造太陽”，那就讓我們一起期待地球上的“人造太陽”早日升起吧。