天目Tech+《自然》封面研究：“小胶囊”蕴藏大能量 我们离可控核聚变有多远？

能源是地球上生命得以延续的重要保障，可控核聚变则有望为人类提供无穷无尽又清洁环保的能源。

近日，《自然》杂志封面论文报道，科学家在实验室中首次展示“燃烧的等离子体”，使核聚变梦想距离现实更近一步。

同时，在可控核聚变方面，中国的东方超环EAST也不断取得新进展。我们离实现长期稳定的可控核聚变还有多远？

聚变反应示意图(氘与氚反应，生成氦与中子，并释放出能量)

可控核聚变

获取能源的未来之路

万物生长靠太阳。当今世界，从煤、石油、天然气，到风能、生物能，几乎一切支撑人类社会运转的能源，其本质都是太阳能。

太阳通过核聚变释放能量。而核聚变的本质，是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出大量能量的过程。

核聚变的原料易得，过程中几乎不产生污染，是人类未来理想的清洁能源之一。例如，氘和氚（氢的同位素）就是核聚变的主要原料。其中，氘广泛存在于海水中，1升海水所含氘产生的完全聚变能，等同于300升汽油所释放的能量。氚则可以在反应堆中制造。当氘和氚压在一起融合时，哪怕是毫克的燃料会产生大量的能量。

如果人类能够掌握核聚变的方法，那么则有可能获得源源不绝的能源，未来的能源问题也有望被彻底解决。

不过，核聚变反应必须在非常高温下发生。目前，人类利用氘氚核聚变，已经实现了氢弹爆炸，但这是不可控的瞬间能量释放。解决能源问题，人类更需要的是受控核聚变。

192束激光同步激发

“小胶囊”迸发大能量

在“燃烧的等离子体”研究中，美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员利用全球最大的激光器——美国国家点火设施（ NIF），首次实现将聚变材料加热至超高温度，实现了聚变反应。

NIF前置放大器内部 图片来自《自然》

这里的核聚变材料就是氘和氚，二者汇聚在一个直径2毫米的胶囊内。

实验中，科研人员精心微调了192道激光器。在极短时间内，192束激光同步射向一个受激装置，而原料胶囊正处于其中。

192束激光同步射向一个受激装置 图片来自《自然》

极短时间内，大量激光激发，高温使胶囊外层涂料同内部的氘氚迅速气化，它们的反向作用力促使内部产生了巨大的惯性压力，促使氘氚融合成氦原子，产生了一种燃烧等离子体状态，并放出大量能量。

类似的实验进行了4次。其中一次实验中，研究人员从1个毫米大小、含有不到1毫克同位素的球体中，获得了170千焦耳的能量。

“小胶囊”释放能量示意图 图片来自《自然》

研究人员表示，尽管燃料舱的直径只有约一毫米，聚变反应也只持续了很短的时间，但它的输出相当于反应持续时间内，撞击地球的所有阳光能量的10%。

即便现在所产生的能量还比较有限，但《自然》撰文评论，对于可控核聚变而言，这项研究仍然算得上是一个里程碑。

东方超环不断取得新进展

“人造太阳”刷新运行时长

业内公认，实现可控核聚变，具有两大难点：上亿摄氏度点火、稳定长时间约束控制。

为了解决这两大难点，托卡马克装置应运而生。它能利用强磁场，将氘氚等离子体约束在一个特殊的磁容器中，并加热至数亿摄氏度高温，以此实现可控聚变反应。

中国也有研究也在为之努力。托卡马克装置最初由前苏联最初研制，上世纪90年代初，中国开始投入建设。其中，2006年完成建设的全超导托卡马克核聚变实验装置东方超环（EAST）工程备受关注。

东方超环装置 图片来自中科院合肥研究院等离子体所

EAST有着“人造太阳”之称，是国家发改委批准立项的国家重大科技基础设施。

2021年，EAST成果不断。5月，实现1.2亿摄氏度101秒等离子体运行；12月底，实现近7000万摄氏度1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，刷新目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛在接受媒体采访时表示，1056秒的运行结果全面验证了未来聚变发电的等离子体控制技术，推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步。

据了解， 下一步，EAST团队还将向更高参数的科学目标发起冲击。