能源的未来：核聚变发电技术的前景和挑战

核聚变和核裂变的工作原理

核聚变是一种将轻元素合并成更重元素的核反应过程。在核聚变中，两个轻元素的原子核融合在一起形成一个更重的原子核，释放出大量能量。核聚变被认为是一种清洁、可持续的能源解决方案，因为它使用的燃料（氢同位素）广泛存在，并且不产生大量的放射性废物。

相比之下，核裂变是一种将重元素的原子核分裂成较轻元素的核反应过程。在核裂变中，一个重元素的原子核被撞击或吸收中子后分裂成两个或更多较轻的原子核，并释放出大量的能量。核裂变的反应条件相对较低，因此更容易实现，但会产生较多的放射性废物。

目前的核电厂利用核裂变释放的能量发电

实现核聚变持续反应的要求更高

核聚变需要将氢等离子体加热到非常高的温度（数百万摄氏度）并保持在高压下。这对材料科学和工程技术提出了巨大的挑战，因为很少有材料能够承受这种极端条件而不受损。核聚变反应所涉及的等离子体非常热且高能，处于高温、高压和高能状态。由于其带电粒子的特性，等离子体很容易受到外部扰动而产生不稳定性，例如磁场不均匀性、不稳定的等离子体形状等。这导致了等离子体的不稳定，使得反应难以持续。

首次实现了净能量增益

2022年12月13日，美国能源部和核安全局宣布，加利福尼亚州劳伦斯利佛摩国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，简称LLNL）的国家点火设施（National Ignition Facility，简称NIF）在12月5日凌晨1点左右进行的惯性约束核聚变（inertial confinement fusion，简称ICF）实验中，成功实现了核聚变点火。实验室使用192台激光器将氢燃料球加热到超过1亿摄氏度，并施加逾1000亿倍地球大气气压的压力，使氢原子聚变并释放能量。在极短的时间内，利用2.05兆焦耳的激光能量输入将3.15兆焦耳的核聚变能量输出，首次实现了净能量增益的目标。

核聚变商用发电还需时日

此次成功点火实现了净能量增益，然而国家点火设施（NIF）并不是为了商用发电而设计的。其实这192台的激光发射器实际消耗了322兆焦耳的能量才产生了2.05兆焦耳的激光镭射，因为产生激光需要更多的能量，所以账面上看起来输出能量大于输入能量。但科学就是这样，通过一个阶段的新发现、新进展，慢慢积累打牢地基，最终让科技造福于人类。