核聚变技术获得历史性突破

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2022年12月13日，美国能源部在一份声明中宣布，12月5日科研人员在劳伦斯利弗莫尔国家实验室“国家点燃实验设施”进行了历史上首次可控核聚变实验。首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点燃实验设施

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆称，这一突破是一项里程碑式的成就。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

㈠ 聚变能与受控核聚变

聚变能是氢的两个同位素——氘和氚发生融合反应所释放出的巨大能量。

聚变反应原理图

太阳是一个主要由氢元素和氦元素组成的巨大等离子体球，太阳内部每时每刻都在发生核聚变。这是由于太阳巨大质量向中心不断施压，在核心处形成约3000亿个大气压的高压和1500万K的高温，高温高压便点燃了核聚变。核聚变点燃后，巨大的辐射压会向外围扩张产生巨大张力，当这个张力正好抵御住太阳质量的引力，引力压和辐射压就取得了一个平衡。这种平衡可以维持太阳持续核聚变长达100亿年。

太阳内部每时每刻都在发生核聚变

1951年5月12日，美国在埃尼威托克岛上引爆了人类第一次核聚变，爆炸释放的能量是广岛和长崎原子弹的数百倍。1966年12月8日，中国第一次核聚变在我国西部地区新疆罗布泊爆炸成功。这是中美两国尝试释放聚变能的两次试验。

氢弹爆炸后形成的蘑菇云

随着全球变暖，找到可以替代化石能源的未来能源迫在眉睫。聚变能，就是未来的清洁、高效、安全的终极能源之一。核聚变反应，释放能量的效率非常高，核聚变的效率比化石能源的效率高了1000万倍。海水中蕴藏着大约40万亿吨氘，一升水能够提炼0.03克的氘，其发生聚变反应释放的能量相当于燃烧300升汽油。1立方公里海水中的氘氚聚变反应所释放出的能量，就相当于全球石油储量燃烧的能量。因此，聚变能原料几乎取之不尽，用之不竭。

但是，要将核聚变能变成电能，就必须像太阳一样产生持续的核聚变。形象地说，就是要在地球上造一个“小太阳”。另外，还必须保证不会引起爆炸，从而将产生的热能输出，转变成电能。这个过程就是受控核聚变。

受控核聚变原理图

受控核聚变需要产生性能可控的超短脉冲高能电子束，使其定向沉积在高密度的氘、氚燃料中，迅速提高压缩燃料的温度，触发聚变反应。当聚变反应产生的能量大于输入能量的话，就叫做点火。根据点火方式的不同，又可将受控核聚变分为磁约束核聚变和激光核聚变两种。

㈡ 激光核聚变

激光核聚变又叫做惯性约束核聚变，其利用高能量、高强度的激光对聚变材料，如氘、氚进行加热，实现可控的核聚变用以获得巨大的能量。

激光核聚变示意图

激光核聚变快点火方案中有一个非常重要的物理过程，需要使用超短脉冲的高能电子束携带能量到高密度等离子体中实现点火。双锥对撞点火的新型激光聚变方案将燃料点火与压缩分开，使这两个过程可以独立优化，同时避免不稳定性。

当地时间2022年12月5日上午1:03，劳伦斯利弗莫尔国家实验室使用192束强大的激光束击中了只有胡椒大小的氢同位素的固体目标。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。

㈢ 磁约束核聚变

磁约束聚变是指利用围成一圈的线圈通电所产生的强大环形磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量。

磁约束核聚变示意图

尽管科学家对受控核聚变的原理已经十分清楚了，但是要在地球上造出人造太阳来却非常困难。这是因为太阳核心的压强高达3000亿个大气压，温度只要1500万就能够维持核聚变。在地球上，根本不可能实现这么高的大气压，这就要求将温度提高到1亿度或以上，其难度是可想而知的。

在这场未来“无尽能源”的创造活动中，中国的全超导托卡马克核聚变实验装置EAST分别实现了100万安培、1.6亿度、1056秒等条件下的等离子体运行。已经完全达到预定目标，部分指标领先全球。

全超导托卡马克核聚变实验装置EAST

㈣ 未来的展望

聚变能发电一般要经历实验堆、示范堆和商用发电堆三个阶段。目前，中美俄英日韩欧盟都处于实验堆阶段。其中，中美两国在技术上领先其它各国。

已有中科院专家表示，即将开启核聚变发电站的工程设计。这就意谓着，筹建示范堆验证阶段将与设计商用核电站同步进行。正如中科院张杰院士预测的，聚变能作为人类社会能源的明天可能就在未来的十年、二十年的时间了。