核聚变取得里程碑式突破，能否破解人类能源难题？- 新京报专栏

核聚变概念图。图/IC photo

北京时间2022年12月13日23点，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室宣布，该机构的国家点火装置（NIF）首次成功实现了能量输出大于激光能量输入的可控核聚变反应。驱动核聚变的激光输入能量大约2.1兆焦，而聚变输出的能量大约2.5兆焦，实现了大于1的能量增益（实现盈利）。

一个具有里程碑意义的突破

科学家的具体操作是，在国家点火设施内，研究人员向一个被称为空腔的圆柱形目标发射了192束激光，产生了X射线辐射，辐射使一个装有氢的两种同位素氘和氚的微小金刚石胶囊发生内爆，释放出能量。

在实验中，高能激光会聚集在一个胡椒粒大小的目标上，将氢胶囊加热到超过 1.8 亿华氏度，并“短暂地模拟了太阳的条件。”

根据计算，这种可控核聚变获得的能量只要一小杯就可以为一栋房屋供电数百年，而且不会产生碳排放。这也意味着，如果能投入到实用阶段，全球或可以依靠这种核聚变能源获得永久的能源供给，从而告别化石燃料。这是一个具有里程碑意义的突破。

粮食和能源一直是人类争夺的重要物质。但多年来，粮食安全和能源匮乏也一直让人类焦虑不安，甚至大打出手。探索各种能源也成为人类和科学的原动力之一。尤其是在化石燃料可能造成气候变暖并加剧生存危机之时，探索和获取可靠的取之不尽用之不竭的能源，也就不只是科学家的使命，更是人类共同的责任和使命。

太阳能就是人类所羡慕的能源。太阳能够产生无穷无尽的能量，靠的是核聚变。模仿太阳的核聚变就有可能获得像太阳能一样取之不尽的能源。

核聚变，简单地说，就是两个轻原子核结合形成一个较重的原子核，同时释放大量能量的过程。但是，这个过程首先需要安全。

根据1957年英国科学家J.劳森提出的一个理想循环的脉冲聚变反应堆中的能量平衡标准，要想实现可控核聚变反应，就要让等离子体的温度、密度和约束时间三者的乘积达到一个阈值才行。现在，人类的研究正在实现这一平衡。

全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。图/新华社

人类还有很长的路要走

在探索和追求核聚变获取能源的过程中，各国科学家八仙过海，各显神通，但也互相合作，展现了“多条道路通罗马”的前景。目前取得突破的核聚变方式有两种，一是惯性约束核聚变，二是磁约束核聚变。

美国利用激光打靶的方式获得的突破就是一种惯性约束核聚变。其利用强激光脉冲快速注入核聚变材料中，在聚变材料还没来得及散开的情况下达到点火条件，瞬间实现聚变反应。这个过程犹如用激光引爆一颗颗微型氢弹，但这是可控的。

磁约束核聚变也取得了惊人的进展。托卡马克就是磁约束聚变的一种常用装置。位于安徽合肥中科院等离子体所的东方超环（EAST）核聚变装置就是一种托卡马克磁约束装置。

2021年5月28日，中国的“人造太阳”EAST创造了新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。

而全世界最大核聚变实验计划——国际热核聚变实验堆(ITER)计划在法国建设，美国、中国、欧盟、英国、瑞士、印度、日本、韩国以及俄罗斯等国参与其中。今年11月，中国负责的其中一个关键组成部分，增强热负荷第一壁首件制造完工。

现在，美国国家点火装置完成的惯性约束核聚变成果表明，人类利用核聚变来获得清洁和可持续的能源又向前跨进了一大步。

而且，2012年时，美国国家点火装置就实现了500太瓦的瞬时峰值输出功率，几乎相当于美国全境用电功率的1000倍。不过，如果计算从电能到激光能量的转换效率，美国此次实验产生的整体能量增益尚未盈利（小于1）。

无论是采用惯性约束核聚变，还是磁约束核聚变来获取能源并进入到实用阶段，都还有很长的路要走，时间可能是几年到几十年，但其意义是显而易见的。

当可控核聚变能够产生能源并用于人类的生活和工作之时，人类就可以减少使用化石燃料，或者不用化石燃料，以拯救地球，也能避免人类陷于灾难。而且，这样的可控核能也是取之不尽，用之不竭的。

不过，从可控核聚变获取能源也只是人类探索清洁和可持续能源的出路之一，其他的可持续和清洁能源同样可以研究和利用，如风力、水力、地热等能源。

撰稿 / 张田勘（科普作家）

编辑 / 刘昀昀

校对 / 王心