可控核聚變，是科幻題材中的老戲骨。
無論是《三體》還是《流浪地球》，可控核聚變承載著人類衝出宇宙的多重想象，原因就在於它取之不盡、用之不竭，是解決能源問題的終極答案之一。然而在現實中，要實現這一技術門檻極高，全世界科學家為此殫精竭慮，也無法完全掌握可控核聚變的技術。
但最近，一個令科學界振奮的訊息傳來：當地時間12月13日，美國能源部正式宣佈了一項核聚變的歷史性突破。加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（下稱LLNL）的科學家於12月5日首次成功在核聚變反應中實現“淨能量增益（Net Energy Gain）”，即受控核聚變反應產生的能量超過驅動反應發生的鐳射能量。
這一時刻也被稱為“聚變點火（Fusion Ignition）”。美國能源部稱，這一突破將永遠改變清潔能源和美國國防的未來。
如果資料得到確認，這就意味著人類朝“人造太陽”的目標，又近了一步。
世界首次“點火”
當192束超高能量的鐳射束同時轟擊一顆胡椒粒大小、裝有氘和氚元素的圓柱體時，會產生什麼結果？
12月5日，LLNL的鍍金鼓內，一組科學家展開了這項實驗，精巧地重現了為太陽提供動力的物理學。
“奇蹟”發生了。鐳射束為圓柱體提供2。05兆焦耳的能量後，輸出了3。15兆焦耳的核聚變能量。這一壯舉被稱為點火，對於全球研究聚變的科學家來說，是一個巨大的勝利。
核聚變點火是實現可控核聚變的關鍵步驟，是實現可控核聚變的前提和基礎。核聚變指的是當原子合併在一起時，釋放出巨大能量的過程，這個過程可以在碳排放幾乎為零的情況下，源源不斷地提供綠色能源。但是，想在實驗室裡實現核聚變並非易事，一個重大的挑戰就是“點火”（即核聚變反應所產生的能量等於或超過輸入能量的時刻）。
一直以來，可控核聚變被認為是“人類的終極能源”，但歷經70多年的研究後，仍處在實驗階段。“點火”，即核聚變產生的能量超過鐳射束打入的能量，是可控核聚變走入現實必要的指標之一。只有滿足這種條件，這一裝置才有望提供能源，而不只是一個耗電器。
多年來，科學家們一直在進行這種型別的實驗，結果發現產生的能量還不足以供給維持系統本身。早在2009年，美國國家核安全管理局在加州的LLNL建成國家點火裝置（NIF），在高10層、約有3個足球場大的建築物中開展前述實驗。NIF原定目標是在2012年實現“點火”，但未能如期達成。NIF在此後多年備受爭議，業內一度悲觀認為，它可能永遠無法“點火”。
NIF的突破是循序漸進的。2022年1月，NIF團隊在《自然》雜誌發表文章提到，已經用1。7兆焦耳的鐳射發射產出了1。3兆焦耳能量，研究者證明了相關的機制，並稱有信心在未來產出更多能量。9月，研究者又重複了這個實驗過程。2個月後，NIF實現了“點火”。
可控核聚變實現了正迴圈，LLNL的實驗也從科學層面證明了，慣性約束聚變可以實現淨能量增益，新科學的大門正在敞開。
各國技術各有所長
核聚變是核能的一種形式，指兩個輕原子核結合成一個重原子核併產生能量的過程。太陽之所以能發光發熱，便是依靠內部不斷產生的核聚變提供動力。一個原子核分裂成兩個輕原子核，也可以產生能量，被稱為核裂變，人們熟知的原子彈、核電站都是採用的這一原理。
核聚變燃料豐富且容易獲得，核聚變也不會產生高放射性的核廢物，清潔安全。核聚變也不會產生高放射性的核廢物，清潔安全。因此，核聚變作為解決人類能源危機的終極能源，雖然已經花費數十年的時間仍未實現發電，但各國還是不遺餘力在參與這項研究。
1952年，美國在太平洋的一個無人島上引爆世界上第一顆氫彈，也讓全世界第一次見識到了核聚變的威力。但這種引爆發射的能量是瞬間釋放，而如果想要透過這種手段成為民用能源，能量必須要有序受控地緩慢釋放。於是，核領域誕生了新的課題——可控核聚變的研究。
可控核聚變發展至今已有70年曆史，幾十年來，世界各國對可控核聚變的研究均投入了大量人力物力，也獲得了一系列重要成果。
目前，世界上研究可控核聚變的國家和地區主要有歐洲、美國、日本、俄羅斯和中國，各國的研究側重和研究進展各不相同。
除了託卡馬克裝置外，美國在鐳射慣性約束可控核聚變上保持全球領先的地位。
歐洲在先進託卡馬克裝置的研究上佔得先機。早在1982年，歐洲原子能委員會就在英國的卡拉姆實驗室建造了目前世界上已建成的託卡馬克裝置中尺寸最大的裝置之一的“JET”。
2021年12月，來自歐洲的研究團隊實現了受控核聚變能量的新紀錄：在歐洲聯合環反應堆中，將氫的同位素氘和氚加熱到了1。5億攝氏度並穩定保持了5秒鐘。
日本一直致力於發展人類新的能源，在託卡馬克裝置的研究方面走在世界前列。早在1985年，日本原子能研究所就成功運行了JT-60大型託卡馬克裝置，該裝置曾達到4億攝氏度中心離子溫度。
俄羅斯發展託卡馬克歷史悠久，但目前研究進展相對緩慢。目前，俄羅斯正大力參與並推進ITER專案，並再次發展國內託卡馬克研究。
中國在核聚變方面的研究起步較慢，但目前處於不斷加速狀態。我國核聚變研究起始於20世紀60年代，1970年開始自主設計實驗裝置，1984年建成中國換流器一號。1994年我國建成了“合肥超環”，此後進入快速發展階段。
2021年5月，“東方超環”（世界上第一個非圓截面全超導託卡馬克）實現了1。2億攝氏度101秒和1。6億攝氏度20秒的等離子體執行，突破了世界紀錄。
“東方超環”
如今，我國的可控核聚變發展，已從過去的跟跑上升到與歐美並跑。
商業之路任重道遠
在點火成功之後，外界關於可控核聚變的最大關注點在於，此次突破是否意味著清潔、無窮無盡的核聚變發電已經觸手可及？
答案是否定的。
據《紐約時報》報道，這次實驗產生的能量只夠燒開15-20壺水。此外，儘管該實驗產生的能量比鐳射器輸入的能量高，但與鐳射器工作所需供能（約300兆焦耳）相比則低得多。
目前，各國可控核聚變裝置仍在實驗階段。未來想要應用於現實，無論哪種技術路徑，都要考慮“投入產出比”，業內稱之為Q值。即能量增益因子，指核聚變反應輸出能量與輸入能量之比。當Q值大於1時，就意味著可控核聚變“不虧本”，產生的能量大於消耗的能量。
除了Q值，可控核聚變未來想要商用，還要儘可能延長反應時間。只有穩定地燃燒釋放，未來才有可能建成發電站。
儘管不少研究者認為，這個結果能證明，可控核聚變在未來有可能為電網提供穩定的電力負荷，也有可能用於制氫或者供暖等。但要實現商業核聚變，業內的共識是，一切才剛剛起步。在投入大規模商用之前，這個過程還需要不斷重複和完善，而且它產生的能量也必須得到顯著提高。
LLNL實驗室主任金·布迪爾（Kim Budil）也表示，如果想將這一成果商業化，核聚變技術仍有“重大障礙”需要克服，可能還需要幾十年的努力和投資。
Kim Budil
結語
近一個世紀以來，自從天文學家亞瑟·愛丁頓推測了為太陽提供動力的氫和氦之間的關係，人類一直被“建造一座像恆星一樣運轉的發電廠”這一設想所吸引。這一目標被全球科學家追尋著，並一步步向前邁進。
雖然核聚變要真正應用於發電站，或許還需要數十年的研究和突破。今天的技術突破也許還只是嬰兒蹣跚學步，但我們應該相信，最終它將跑下來這場科技馬拉松。
對於未來，我們值得想象。
炒股開戶享福利，入金抽188元紅包，100%中獎！
開啟App看更多精彩內容
