见证历史！人类核聚变首次实现正收益，产出能量每天能烧开10壶水
作为科幻作品最青睐的能源，核聚变拥有很多美妙的性质。首先，地球上就有大量核聚变的燃料，如果将海水中的氘全提取出来用作核聚变，那海水的能量密度就能和石油相当；其次，核聚变需要外界环境介入主动维持，一旦设施失效反应会自动停止，安全隐患远小于核裂变；另外，核聚变还不会排放温室气体、也不会产生半衰期较长的放射性废料，完全算得上清洁能源。
但除了玩文字游戏，将光伏发电算作核聚变发电的人外，人类至今为止还没有在核聚变上实现输出大于输入。
不过情况正在发生转变。当地时间12月13日，美国能源部和国家核安全局宣布，美国国家点火装置（NIF）成功实现了核聚变点火。激光输入2.05兆焦耳的能量，核聚变能产生3.15兆焦的能量——输出能量正好能把10升水从25摄氏度烧到100摄氏度。
NIF是一台耗资35亿美元、占地相当于3个美式足球场的巨兽，它从2010年就已经开始了试验，原本计划在2012年实现核聚变点火，但计划却一再被延误，预算也不断超支。实验过程中，NIF可以发出1053纳米的红外脉冲，脉冲分为192束，每束激光长度仅有几纳秒。红外激光会被转换成351纳米的紫外线，最终聚焦在燃料球上。燃料球是一个铅笔橡皮大小的金罐，里面装有胡椒粒大小的燃料舱。金被加热到数百万度，会发出X射线，使胶囊的钻石壳蒸发。爆破的钻石使燃料内爆（implosion），压缩并加热燃料舱中的氘和氚，从而实现核聚变。
如果实验的条件足够理想，那么聚变反应会在中心热点开始并平稳地向外传播，聚变产生的热量会引发更多核燃烧，这种核燃料自我维持燃烧的状态被称为核聚变点火。实现核聚变点火所需要的条件被称为劳森判据（Lawson Criterion），它指的是核聚变材料的密度、温度和禁锢时间三者之积必须超过10²⁵eV·s·m-³，才有可能实现核聚变产能。
去年8月8日，NIF就已经让核聚变输出能量达到了输入能量的70%。今年8月8日，研究团队在《物理评论快报》上介绍了那次实验成果。他们在实验中已经突破了劳森判据，但还没有实现最终的能量收支平衡，当时输入的能量为1.92兆焦耳，聚变反应能量达到了1.37兆焦耳。
但那次突破之后，NIF团队发现他们一直无法重现当时的成功。后来发现使用光滑的钻石胶囊是关键（smooth diamond capsule）——2021年8月那个是最光滑和接近球形的。他们还使胶囊变厚了一些，提供了更大的动量，但需要更长、更强大的激光脉冲。因此调整了激光，将能量从1.9兆焦提高到2.05兆焦。
今年9月的一次实验产生了1.2兆焦耳能量，研究者认为他们走的路是正确的。但那次燃料球被压扁了，并没有被均匀压缩，激光脉冲还需要经过精细调整。最后，通过调整激光的192束光束之间的能量，它们能够获得更加球形的内爆。终于在12月5日得到了这样的结果——输入2.05兆焦耳，输出3.15兆焦耳。
NIF的核燃料球就放在图中的装置内，192束激光会一起轰击燃料球从而产生核聚变。图片来源：NIF/LLNL
如果算总账的话，NIF离输出大于输入还差得很远。NIF的激光器效率低下，为了产生2.05兆焦耳能量的激光，激光器需要消耗322兆焦耳的能量。为了实现总输出大于总输入，NIF至少还需要将效率提升两个数量级。
罗彻斯特大学激光能量学实验室的里卡多·贝蒂（Riccardo Betti）表示，目前的实验方案还有另一个低效率问题——它依赖于“间接驱动”，引发核聚变的并不是激光本身，而是激光冲击金罐时产生的X射线。只有1%的激光能量能进入燃料。他更赞成“直接驱动”，这是他的实验室采用的方法，激光的能量利用率能达到5%。2020 年，贝蒂曾以NIF核聚变能源科学咨询委员会委员的身份参与撰写过一份报告，建议NIF使用“直接驱动”。“我们需要一种新的范式，”贝蒂说，但“没有明确的方法可以做到这一点。”
此外，如果想用NIF发电的话，实验重复速度也是一个重要的问题。目前NIF每天只能进行1次这样的实验，为了让发电功率能与真正的发电厂相匹敌，NIF需要将实验频率提升到每天100万次——大约每秒10次。每天需要制造、填充、定位、爆破和清理一百万个胶囊同样是一项巨大的工程挑战。
NIF整体而言相对低效还有一个重要的原因。“NIF并不是为了高效而设计的，”纽约伊萨卡康奈尔大学的核工程师戴夫·哈默（Dave Hammer）说。“它被设计成我们能建造的最大的激光器，是为了为我们提供核库存研究计划所需要的数据。”
从NIF所属的组织架构就能看出端倪。NIF属于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，后者是美国核安全局的下属单位，而美国核安全局则由一名美国能源部副部长专职管理。在美国，核武器、核反应堆都归能源部（United States Department of Energy，DOE）管理。曾在美国海军研究实验室担任激光聚变项目负责人的物理学家斯蒂芬·博德纳（Stephen Bodner）说：“现在最大的问题是看能源部接下来要做什么：是加强NIF对核武器的研究力度？还是转向面向聚变能源的研究？”
实现核聚变主要有两条路线：惯性约束和磁约束。NIF属于惯性约束，用激光脉冲给核燃料加热加压实现核聚变。而平时我们在新闻上看到的“中国太阳”则属于磁约束装置。磁约束一般使用的是托卡马克（近年来，另一类名为“仿星器”的设备也获得了一定的影响力），它能利用强大的环形磁场将一大团高温等离子体束缚在其中，使其发生核聚变。从全世界范围来看，磁约束是更主流的方案。
过去两年中，中国和韩国的“人造太阳”不断刷新着高温、长时间运行的纪录——这是让磁约束核聚变实现点火、输出大于输入的关键手段。不过其实，中国和韩国的实验都是更大实验的一部分，都是为了更深度参与国际热核聚变实验堆（ITER）。
ITER结构示意图。图片来源：ITER
世界上最重要的托卡马克装置非ITER莫属了，它是由欧盟、美国、中国、日本、俄罗斯、印度和韩国出资建设的国际合作项目。2020年7月28日，ITER在法国展开了总装任务。在计划中，ITER是一项将要持续20年的任务，最终任务目标是实现能量效率Q值达到10，输入50兆瓦的能量，输出500兆瓦的聚变能量。但ITER目前也面临着工期拖延的问题，而且，就算ITER真的实现了500兆瓦的能量输出，它也只是一个实验项目，而不是成熟的商业项目。
当然，核聚变并不只有国际合作项目。去年，我国立项了中国聚变工程实验堆（CFETR），计划在2035年开始开展大规模科学实验，在2050年建设聚变商用示范堆。
所以，虽然核聚变发电距离我们还很遥远，但至少也没有一直停留在“永远的50年”这一水平。在全世界科学家的努力下，可控核聚变已经离我们越来越近了。
https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
https://www.science.org/content/article/historic-explosion-long-sought-fusion-breakthrough
https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7
https://www.iter.org/proj/inafewlines
https://www.nsfc.gov.cn/csc_phone/kqkd29/kjyq1/20988/index.html
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