先前，美联社发文称美国可控核聚变有“重大突破”，美国科学家在可控核聚变领域首次实现了“净能量增益”，是人类走向清洁能源的里程碑。消息一出，迅速引爆了全球媒体，这次的“重大突破”究竟意味着什么呢？人造太阳是否指日可待？
刘慈欣的科幻小说《三体》第二部是这样描绘人类未来世界的样子：用于充电的电磁感应充斥着整座城市，电像空气一样随处可见，汽车在天空飞行不用加油。地下建立起庞大的居住群落，城市穹顶直接传来万米之上的天空图像，化石燃料的停用也让环境恢复到工业革命之前的美好景象。而这一切的实现，都源自可控核聚变。
01 为什么是聚变
太阳和天空中其他闪烁的恒星都是由聚变提供能量的。聚变让宇宙有了光和热，让地球诞生了生命。我们生活的地球、呼吸的空气以及构成我们的物质，都是聚变的产物。核聚变是宇宙中最常见的反应。
核聚变的原理非常简单，两个原子核相互融合形成一个更大的核，同时一部分质量会在这一过程中以能量的形式释放出来。尽管这部分质量M很小，但根据爱因斯坦的智能方程e=mc²，因为光速C是一个极大的数，所以一点点的质量也能产生极大的能量。
众所周知，氢有三种同位素：氕、氘、氚。以氘氚核聚变反应为例，氘原子核有一个质子和一个中子，氚原子核中有一个质子和两个中子，如果使氘氚聚合，会得到氦和一个中子以及能量。
氘可以从水中获取，海水中每6700个氢原子就有一个是氘原子。考虑到全世界海洋中水的数量巨大，存在于海水中的氘足够世界数十亿年能源需求。
氚是一个不稳定的原子核，富于变化，须通过人工进行制造。最简单的方法是使用锂，这是一种电池中常使用的金属。当锂被中子轰击时，会裂变成氦和氚。一台笔记本电脑电池里的锂和45升水里的氘产生的电能，可以满足一个普通消费者30年的需求。
能源是人类实现可持续发展的最大制约因素。现有的能源形式中，化石能源储量有限，其排放的温室气体导致的气候变化影响更大；可再生能源密度太低，建设需要占用大量空间，发展潜力有限。
作为低碳、高效、清洁的核裂变核电站，也有三个问题需要处理和应对：第一是原材料资源问题，核裂变原材料（主要是铀）储量是有限的；第二是安全问题，裂变反应堆依靠链式反应，运行中要避免裂变反应过速；第三是废料问题，核废料的放射性会持续数万年。
相比之下，核聚变的原材料主要是氢的两种同位素氘和氚，可从海水和一些轻核中获取，取之不尽。而且其生产过程几乎可以做到零排放，产生的核废料也很少，处理起来要容易得多。这些优势是现有的任何能源形式都无法相比的，核聚变将为人类提供无尽的能源，人类的生活将会开启更多可能性。
02聚变能增益系数
核聚变原理简单，是不是很容易实现呢？
对于氘氚核聚变反应，两个原子核都带正电，距离越近，电荷产生的排斥力就越大。要让它们发生聚变，距离需要接近到10^-15米，也就是一根头发丝的500亿分之一，温度也必须达到上亿摄氏度。
除了触发核聚变反应，更难的是实现“可控”两个字。核裂变核电站基本实现了“可控”，四代核裂变核电技术向着固有安全性、更低放射性废物的方向发展。核聚变要实现“可控”还有不少技术难点问题需要攻克。
首先是实现等离子体。我们熟知的固体、液体、气体是地球上最常见的三种物质形态，等离子体是宇宙中最常见的物质形态，占比高达99%以上。
与核裂变反应不同，地球上的核聚变是无法自发开始的，需要先将原材料加温加压到一个匪夷所思的程度，所以核聚变必须输入大量能量才能得以维持。
核聚变装置的能量输出输入之比叫做“聚变能增益系数”，通常用Q来表示。只有当Q值大于1时，这台装置才有可能用来发电，否则仅能用于科学研究了。事实证明，要想在工程上满足这个要求极其困难。
等离子体大量存在于1亿摄氏度以上的太阳核心高温环境中，带负电的电子和带正电的离子相互独立运动，不断地发生聚变反应，产生光和热。
地球上最耐热的金属几千度就熔化了，使用什么容器来“装住”上亿度的等离子体，成为科学家们努力探索解决的难题。目前主要有两种方法：一种是磁约束法，另一种是惯性约束法。
磁约束法是将聚变原材料约束在一个强磁场空间中，在不接触任何物体的情况下，通过电磁加热，在等离子体条件下达到聚变条件。目前磁约束法最主要的实验装置是托卡马克。在托卡马克中，等离子体离子围绕磁感线旋转，磁感线沿圆环面形成螺旋形路线。
“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托卡马克，俗称“人造太阳”。
2020年7月28日，在法国举行了国际热核聚变实验堆计划重大工程安装启动仪式。ITER计划把极高温度的等离子体用磁场约束在一个环形腔室内，并维持足够长的时间，氘氚燃料能在腔内持续聚变和输出能量。
ITER的能量增益系数目标是Q>10。ITER的设计聚变功率是50万千瓦，相当于一座小型火电厂，但ITER不能发电，只会用于测试聚变能量的转化。
惯性约束法是在极短的时间让极强的激光轰击核原料，让核原料的瞬时压强或者温度达到聚变条件。美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的“国家点火装置”采用的就是惯性约束法。
2022年12月13日，利弗莫尔实验室宣称在实验中，这个实验装置输入了总能量为2.05兆焦的激光，引发了氘氚聚变反应，最终输出了3.15兆焦的能量。
别看输出能量没多少，连1度电都不到（1度电=3.6兆焦），但输出能量与输入能量的比值Q达到了1.54，意味着输出能量比输入能量大了50%还多。
而在此之前的几十年里，人类进行的核聚变试验还未能实现能量正增益。这是史上第一次，人类在可控核聚变试验中做到了Q>1，实现了能量正增益！
尽管美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的“国家点火装置”（NIF）本质上是一个军事项目，和民用的关系并不大。但作为全世界第一家实现Q值大于1的实验室，这项研究的意义还是很大的。
惯性约束聚变原理示意图
惯性约束聚变激光射入“黑腔”
NIF装置激光束所聚焦的地方，放置了一个黄金制成的“黑腔”。黑腔的中心就是靶丸，直径只有2~3mm。NIF装置使用192路紫外激光，一次输出的3.15兆焦的能量，不到1度电。
但从时间上来看，这是在3纳秒（1纳秒=1x10-9秒）之内发出的脉冲能量，瞬间的功率相当于美国所有电站功率的大约1000倍。
03我国的核聚变研究
基于我国能源长远的基本需求，我国积极开展核聚变研究。
国际热核聚变实验堆（ITER）计划的实施结果将决定人类能否迅速地、大规模地使用聚变能，从而影响人类从根本上解决能源问题的进程。
在全世界都对人类能源、环境、资源前景等问题予以高度关注的今天，各国坚持协商、合作的精神，开始合力建设世界上第一座聚变实验堆。
2003年1月，国务院批准我国参加ITER计划谈判，2006年5月，经国务院批准，中国ITER谈判联合小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。这七方涵盖了全世界主要的核国家和主要的亚洲国家，覆盖的人口接近全球一半。
2022年11月，中国所承接ITER计划的核心部件已率先突破，我国造出了全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆的核心部件——被喻为 ITER “ 防火墙 ” 的增强热负荷第一壁。
除了与世界开展核聚变交流合作，中国也在不断探索自主可控的核聚变技术。
2017年12月，中国聚变工程实验堆（CFETR）在安徽合肥正式启动工程设计。CFETR计划分三步走：第一阶段到2021年，CFETR开始立项建设；第二阶段到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段到2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类终极能源。
2021年12月30日，中科院建造的东方超环（EAST）核聚变研究装置，实现电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体维持了1056秒，创造目前世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行纪录。
在此之前，东方超环装置还实现了5000万摄氏度持续101秒，1.2亿摄氏度101秒等离子体运行等多个纪录。
2022年10月，中核集团核工业西南物理研究院科研团队在中国新一代“人造太阳”核聚变科学研究取得突破性进展，中国环流器二号HL-2M等离子体电流突破100万安培，创造了中国可控核聚变装置运行新纪录。
中国的可控核聚变发展，已经逐步从过去的跟跑，发展到如今的并跑。
04我国的核能技术应用
聚变是未来核能发展的方向，是人类能源问题终极解决方案，我国制定了核能发展三步走战略（热中子反应堆-快中子反应堆-聚变堆）。
秦山一期作为我国大陆第一台自行设计、建造和运营管理的核电站机组，于1991年并网发电，并获得延寿运行许可，允许继续运行至2041年。
秦山一期核电站全景
浙江三门核电1号机组、福建福清5号机组等作为三代核电不同技术路线的首台机组，也相继投产运行。
三门核电一期核电站全景
福建霞浦快堆示范工程，山东石岛湾高温气冷堆示范工程等四代核电技术示范工程不断推进。
福清核电5号机组（华龙一号）全景
截至2022年，中国在运核电机组54台，在建核电机组23台，在运在建核电机组数为全球第二。
我们距离核聚变商业化还需多少年？有人给出了肯定的答案：30年-50年。这个问题已经持续了半个世纪，这个答案也持续了半个世纪。核聚变商业化成功的期望似乎永远是30年-50年。
技术的梦想需要时间去开花结果，航空飞行、太空遨游、通信技术等都是如此。英国学者丹尼尔·克利里在《一瓣太阳——可控核聚变的寻梦之旅》中写道：国际热核聚变实验堆当前的合作伙伴代表了一半以上的世界人口，所以建造核聚变反应堆的技术诀窍将广泛流传——垄断将不会存在，也没有任何一个国家会对燃料供给形成绝对控制。
每个国家都能获得水，将不再会有煤矿的开采，或者油砂的挖掘；不再会有石油钻井平台，无论是在海上，还是在脆弱的陆上栖息地；不再会有管道切过草地，穿过荒漠；不再会有油轮或石油泄漏。能源的地缘政治，以及与之伴生的所有腐败、政变和战争都将会消失。
聚变能不会破坏气候、不会污染环境、不会耗竭。我们怎么能不试试呢？ |
