可控核聚变实现突破，35亿美元烧开20壶水

前言：

科学家们从20世纪50年代起就开始研究如何通过模仿太阳的氢核聚变过程来产生能量。

如果攻克了这个最大的难题，人类将有可能史上首次获取海量无碳清洁能源，彻底改变未来的能源路线图。

也就是说，到了那时，就不再有煤和石油燃烧产生的温室气体，不再有危险、长效的放射性废物——人类将得到真正意义上的［清洁能源］。

而现在看起来，这个难题的第一步已经被解决了。

作者 ｜ 方文

图片来源 ｜ 网 络

“可控核聚变”首次实现突破

在太阳中，存在巨大的引力，而这种引力所产生的极端压力，正为核聚变的发生创造了条件。

在太阳内部，氢原子被加热到等离子体状态，电子不再围绕质子旋转，然后释放的原子核聚变形成氦原子和中子，释放出巨大能量。

然而，太阳中有着能够诱发核聚变的巨大引力，我们人类却没有这样的自然条件。

12月5日，美国国家实验室的一次实验却打破了这一局面。

据英国《金融时报》报道，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）从一个实验性核聚变反应堆中实现了［净能量增益］，让核聚变反应产生的能量多于这一过程中消耗的能量。

研究团队输入的能量为2．05兆焦耳（MJ），核聚变反应后的输出能量约为3．15兆焦耳，实现了150％的能量增益。

为了实现聚变，原子核需要在超过1000万摄氏度的极高温度下相互碰撞，以使它们能够克服相互间的电排斥力。

一旦原子核克服了这种排斥力，并进入彼此非常接近的范围，它们之间的核力吸引力将超过电排斥力，从而使它们能够实现聚变。

要做到这一点，众多原子核必须被约束在一个小空间内，以增加碰撞的机会。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的整个实验设施耗资35亿美元，用近200台激光器组成阵列，阵列有三个足球场那么大。

实验过程涉及用世界上最大的激光轰击一小粒氢等离子体，基本上以每秒50次的速度产生一系列极快的重复爆炸，以启动核聚变反应。

研究人员采用了惯性约束核聚变（Inertial Confinement Fusion）技术实现了这一成就。

所谓［惯性］，是指在极短的时间内，通过增温和增压来提高等离子体的温度和压力，利用原子核的惯性来阻止它们四散扩散，完成融合。

托卡马克装置的工作原理是，将氢同位素等离子体加热到超过1亿摄氏度，它们会碰撞并产生聚变反应。

这是人类历史上首次实现可控核聚变，这一成果被称为［点火］。

核聚变点火是实现可控核聚变的关键步骤，是实现可控核聚变的前提和基础。

所谓的点火，指的聚变反应所产生的能量等于或超过输入能量的时刻。

该实验室采用了一种名为惯性约束聚变的方法，简单来说是使用激光照射引发核聚变。

需要注意的是，虽然从2．05兆焦耳到3．15兆焦耳的结果看，该实验的确实现了净能量增益。

但要算上电能损耗等问题，此次实验投入的总能量实际上达到了400兆焦耳以上，远远高于输出3．15兆焦耳。

背后的真正意义与商业可行性

在聚变发生后，合成物的质量会比最初制造它们的部分更轻，丢失的质量会转化为巨大的能量。

E＝MC?，这是太阳等恒星中一直发生的反应。

如果核聚变技术能够大规模应用，它将提供一种没有污染和温室气体的能源，也不会产生放射性废料。

这是通往清洁能源可能性之路的绝佳方法，一个多世纪以来，我们对核聚变有了理论上的了解，但从了解到实践的过程可能是漫长而艰巨的。

无论马斯克看不看好，可控核聚变商业化落地，意义依然是巨大的。

要明确一下，可控核聚变商业化不太可能是安装在车辆本身的小型反应堆装置，技术上难度巨大，也不符合汽车本身消费品的属性。

真正的意义在于，可控核聚变使电能取之不尽用之不竭，成本极低，而且完全0碳0排放。

始终被两大技术难题困扰

第一大技术难题，是让聚变反应炉中的温度，要长时间、稳定地超过核聚变的临界温度。

科学家们计算，为了启动并且维持核聚变反应，需要反应炉内部能够长时间维持在大约2亿摄氏度的高温。

磁约束核聚变的办法是，利用磁场构建出了一个肉眼看不到的、能耐受2亿摄氏度高温的反应炉。

然而这种方式，磁场不稳定，且装置的内部会不断受到高温带电粒子的冲击，无法长期稳定运行。

至于这次美国人用的惯性约束核聚变，由于本质上相当于一场小型氢弹爆炸，倒是不愁温度达不到2亿摄氏度。

既然做不到［连续引爆］，自然没办法长时间、稳定地维持超高温度。

第二大技术难题，是核聚变装置在实现［点火］之后，整体的能量效率大于1。

现实就是这么无奈，虽然核聚变能释放大量的能量，但人类为了启动核聚变，耗费的能量更多。

以磁约束核聚变为例，为了让装置内部达到2亿摄氏度的高温，就需要使用大概上千万瓦的微波设备对圆环的中心进行加热，但是这一项，就足以让能量［入不敷出］了。

2013 年 10 月，LLNL公布的聚变反应产生能量仅有14千焦，激光耗能达到了1．8兆焦，净能量增益仅有0．77％。

如今，只用2．05兆焦能量，就将释放能量提高到3．15兆焦，增长了200倍，背后，肯定积累了不少工程经验。

至少科学家们摸索出了，让国家点火装置 （NIF）稳定产生高能量输出的经验。

这意味着科学家们，可以在此基础上，进行下一步研究。

这一技术成果有三大里程碑式突破：

①首次证明了惯性聚变能 （IFE） 的基础科学能力；

②美国正朝着核聚变发电厂建造，以及无限、零碳能源的目标迈出了关键一步；

③有望应对世界能源价格高企和迅速减少化石燃料燃烧的需求。

中美已在该领域展开技术竞争

过去这一年，中美等全球资本向这一领域投资也已接近200亿元，较上一年比增长了139％。

从历史上看，核聚变能源领域的研究一直是由政府主导、大型公共资助的实验室完成，比如牛津大学的欧洲联合环状反应炉、美国LLNL实验室等。

但近年来，随着硬科技投资趋势热潮来临，以及中国对新能源的高度重视，一批商业资本、风险投资开始涌入了核聚变能源的民营公司。

今年10月，中国［人造太阳］装置的等离子体电流突破100万安培，创造新纪录。

今年2月，探索可商业化聚变能源技术企业［能量奇点］宣布完成近4亿元人民币的首轮融资，米哈游和蔚来资本领投，红杉中国种子基金和蓝驰创投跟投。

今年6月，仅成立一年的商业聚变能研发公司［星环聚能］宣布完成数亿元天使轮融资，中科创星等10家知名机构参与投资。

结尾：

实际上，相较于核裂变，核聚变虽有众多优点，但目前仍处于研究第一阶段。

要提高产能，扩大商业化、普及化，多数专家认为，最快恐怕得等到2050年。

总之，可控核聚变被认为是一种终极的能源形式，一旦掌握，便可以几近实现能源自由，这对于一个国家甚至全人类的发展，都有着极其重要的意义。

那么在未来，究竟是磁约束核聚变能先拔头筹，还是激光约束核聚变能一马当先，我们还需要拭目以待。

部分资料参考：差评：《美国的可控核聚变有重大突破？》，钛媒体：《中美“激战”核聚变》，ZAKER：《可控的核聚变 不可控的未来》

原文标题:AI芯天下丨热点丨可控核聚变实现突破，35亿美元烧开20壶水