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06-18
几十年后，可控核聚变里程碑终于到来。
人类历史上第一次实现了输出能量大于输入能量的可控核聚变。
这个过程称为“点火”。
人类历史上第一个重大的能源进步是对火的控制和利用。
现在我们再次高举火炬，让人造太阳不再是幻想。
几十年来的里程碑，迈向“人造太阳”的一大步。
12月13日，美国加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布，首次在核聚变反应中成功实现“净能量增益”（即产生的能量超过消耗的能量）。
），在可控核聚变的道路上又向前迈进了一步。
这些陌生的术语可能会让人看起来很困惑。
我们先来了解一下“可控核聚变”的概念。
核聚变是两个较轻的原子核聚集在一起形成一个较重的原子核并释放能量的过程。
自然界中最简单的聚变反应是氢同位素——氘和氚的聚变。
这种反应在太阳上已经持续了50亿年。
恒星实际上是天然的核聚变装置。
▲ 图片来自：istock 与核裂变和燃烧化石燃料相比，核聚变有很多优点：不排放碳，不会像核裂变那样产生核辐射和核废料；由于核聚变需要极高的温度，一旦燃料温度下降，聚变反应就会自动停止；理论上，一小杯氢燃料可以为房屋提供数百年的能源。
因此，聚变能是一种近乎无限、清洁、安全的新能源。
▲ 聚变是宇宙的能源，发生在太阳和恒星的核心。
如果人类能够以可控的方式复制太阳的聚变反应会怎样？这种可控核聚变的愿景通常被称为“人造太阳”。
可控核聚变的最终目标是让大量存在于海水中的氘在高温条件下发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源，替代化石原料和常规核能，资源消耗远低于太阳能和风力发电。
。
▲ 聚变反应。
然而，太阳的核聚变依赖于其自身引力提供的重力场约束，这是我们在地球上无法模仿的。
同时，太阳的高温高压为聚变反应创造了必要的条件。
地球上的聚变反应需要用更高的温度来补偿。
相关研究早在20世纪50年代就已开始。
困扰科学家的是聚变反应要消耗巨大的能量，如何让产生的能量超过消耗的能量。
更困难的是，能量必须持续稳定地输出，不能转瞬即逝。
12月5日，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室终于通过“惯性约束聚变”技术实现了“净能量增益”聚变反应，距离人造太阳又近了一步。
研究人员将一束巨大的激光束发射到一个橡皮擦长度的镀金黑色空腔中。
强烈的能量将容器加热到一万多摄氏度，容器中充满了花椒大小的燃料颗粒。
▲ 激光的“目标”虽小，但“靶室”却很大。
激光不断反射和加热，最终产生X射线。
X射线剥离粒子表面，引发火箭般的内爆，将温度和压力推向只有在恒星、巨行星和每秒公里速度的核爆炸中才能实现的极端，导致氘和氚聚变。
最终，在持续不到万亿分之一秒的瞬间，激光输入能量为2.05兆焦耳，聚变产生的中子能量为3.15兆焦耳，这个能量增益大于1除以前者。
可持续电力仍然是遥远的未来。
虽然具有“净能量增益”的聚变反应已经实现，但要在实验室环境之外进行实践，甚至投入商业应用，还有很长的路要走。
首先，“净能量增益”仅反映聚变反应本身，并没有考虑为激光提供动力的兆焦耳。
电能到激光的转换效率很低，按输出电能与输入电能的比值计算，能量增益小于1。
其次，以能源生产所需的规模重现这种聚变反应需要大量资源。
▲ 国家点火装置（NIF），世界上最大、最强大的激光器。
工程师们尚未开发出将产生的能源输送到电网的机械装置。
因此，核聚变距离商业化应用至少还有十年，可能还要几十年，发电厂就更远了。
目前，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的激光大约每天只发射一次，而且成本极高，不可能在短时间内建造一座可行的发电厂。
在新闻发布会上，劳伦斯·利弗莫尔主任金·布迪尔表示，这次会议代表了聚变点火，但要实现商业聚变动力，需要做很多事情，包括“每分钟进行多次聚变点火”。
▲ 核聚变的艺术渲染。
同样，核聚变也不能在短时间内投入到气候保护中。
能源技术专家胡利奥·弗里德曼指出，现在取得的成果非常重要。
如果能量输出不能大于能量输入，就不能成为能量来源。
但它不会对未来 20-30 年的气候减排做出有意义的贡献，这就是点燃火柴和建造燃气轮机的区别。
为了将气温升高控制在1.5摄氏度的“安全线”内，我们必须在今年实现净零排放。
依靠核聚变来摆脱气候危机是一个遥不可及的梦想。
罗切斯特大学教授、激光聚变专家里卡多·贝蒂将核聚变的这一突破与人类第一次知道如何将石油提炼成汽油进行了比较：“你仍然没有发动机，你仍然没有”没有轮胎，就不能说你有汽车。
“人类已经迈出了一大步，但前面可能还有几千、几万步。
世界正在为下一代清洁能源做准备。
过去几十年来，许多国家一直在推动可控核聚变。
”上面提到的惯性约束是实现可控核聚变的两种主流解决方案之一，另一个是磁约束。
事实上，磁约束是目前各国可控核聚变的主要方向，其中最著名的是“托卡马克”装置。
磁约束核聚变方法是一种环形装置，通过约束电磁波驱动，为氘和氚创造聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。
方舟反应堆是可控核聚变《钢铁侠》的方舟反应堆有点像托卡马克，斯塔克工业基地的方舟反应堆，钢铁侠战衣胸前的迷你反应堆都是“磁约束（核）聚变”。
反应堆”。
虽然可控核聚变技术和托卡马克装置首先起源于国外，但我国已经实现了后来者的目标，走在了世界前列。
2008年建成的中国“人造太阳”EAST全称是“全超导托卡马克核聚变实验装置”，也被称为“东方超级环”。
它由中国科学院等离子体物理研究所在安徽省合肥市建造。
年底，EAST实现第二次长脉冲高参数等离子体运行，其间电子温度近万摄氏度，创下了当时托卡马克装置高温等离子体运行时间最长的纪录时间。
▲2020年12月4日，中核核工业西南物理研究所自主设计建造的新一代“人造太阳”装置（HL-2M）竣工。
今年10月，HL-2M实现了突破——等离子体电流突破10000安培（1兆安）。
未来，托卡马克聚变反应堆必须在兆安级电流下稳定运行。
因此，这一突破也标志着我国距离聚变点火越来越近。
▲ HL-2M。
“人造太阳”是世界高度关注的重大科学问题。
面对下一代清洁能源，各国是利益伙伴。
最具代表性的就是2016年启动的国际热核聚变实验堆（ITER）项目。
它是目前世界上规模最大、影响最深远的国际科学项目之一。
中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度等成员国参与。
各国共同打造的“人造太阳”是世界上最大的核聚变反应堆，目前位于法国南部的卡达拉舍。
ITER本体的组装预计将于2017年完成，未来几年，ITER组件将从各成员国运至卡拉达什。
我国作为平等成员之一，承担了ITER建设阶段9.09%的工作，享有ITER技术成果的使用权。
▲ 2018年ITER建设情况。
煤炭、石油、天然气可能枯竭，造成环境污染；风能、水能、太阳能等受天气或地理条件限制；核裂变所需的铀、钚等元素的储量有限，并且会产生放射性。
相比之下，可控核聚变技术是一种被全人类寄予厚望的未来能源方式。
它被称为“终极能源”，因为它几乎可以一劳永逸地解决能源问题。
当其投入商业使用时，除了气候效益外，还可以为贫困地区带来廉价电力。
前景是光明的，但道路是曲折的。
希望在我们所能看到的未来，我们能够见证“人造太阳”的崛起。
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