人类史上首次，“人造太阳”实现重大突破

本文来自微信公众号：爱范儿 （ID：ifanr），作者：张成晨，原文标题：《人类史上首次！“人造太阳”实现重大突破，石油太阳能或被彻底淘汰》，头图来自：LLNL

历经几十年，可控核聚变的里程碑终于到来。

史上首次，人类实现了输出能量大于输入能量的可控核聚变。

这一过程被称为“点火”（ignition）。

人类历史上第一次意义重大的能源进步，是对火的控制和利用。

如今我们再次举起火把，让人造太阳不再是天方夜谭。

几十年的里程碑，“人造太阳”的一大步

12 月 13 日，加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）宣布，首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”（即产生的能量超过了消耗的能量），在可控核聚变的道路上更进一步。

这些陌生的名词可能让人雾里看花，先让我们了解一下“可控核聚变”的概念。

核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。

自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了 50 亿年，恒星其实就是一个个的天然核聚变装置。

比起核裂变、焚烧化石燃料，核聚变有很多好处：

它不排放碳，不产生核裂变般的核辐射和核废料；由于核聚变需要极高温度，一旦燃料温度下降，聚变反应就会自动中止；一小杯氢燃料，理论上可以为一所房子提供数百年的能源。

所以，聚变能是一种接近无限的、清洁的、安全的新能源。

聚变是宇宙的能量来源，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，那会怎么样？

这种可控核聚变的愿景，被俗称为“人造太阳”。

可控核聚变的终极目标，是让海水中大量存在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，且资源耗损远低于太阳能和风力发电。

聚变反应. 图片来自：LLNL

然而，太阳的核聚变靠自身引力提供的重力场约束，我们在地球上无法模仿，与此同时，太阳上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补偿。

相关研究从上世纪 50 年代就开始了，困扰科学家的地方在于，聚变反应消耗巨大的能量，如何让产生的能量超过消耗的能量。难上加难的是，能量还得持续稳定地输出，不能昙花一现。

12 月 5 日，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，通过“惯性约束聚变”技术，终于实现了“净能量增益”的聚变反应，朝着人造太阳更近了一步。

研究人员将 192 束巨型激光射入一个橡皮擦长度的镀金黑腔，强烈的能量将容器加热到超过 300 万摄氏度，容器内装有胡椒粒大小的燃料颗粒。

激光的“靶子”很小，但是“靶室”很大. 图片来自：LLNL

激光不断反射加热，最终产生 X 射线。X 射线剥离了颗粒的表面，引发了类似火箭的内爆，将温度和压力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能实现的极端，内爆的速度达到每秒 400 公里，导致氘和氚聚变。

最终，在持续不到万亿分之一秒的瞬间，激光输入的能量为 2.05 兆焦耳，聚变产生的中子的能量是 3.15 兆焦耳，后者除以前者，能量增益大于 1。

可持续电力，还在遥远的未来

虽然“净能量增益”的聚变反应已经实现，但想在实验室环境之外实践，甚至投入商用，仍然是路漫漫其修远兮。

首先，“净能量增益”只反映了聚变反应本身，为激光供电的 300 兆焦耳并没有被计算进去。从电能到激光的转换效率很低，如果计算输出电能到输入电能之比，能量增益小于 1。

其次，在能源生产所需的规模上重现这种聚变反应，需要大量的资源。

国家点火装置（NIF），世界上最大和最高能量的激光器. 图片来自：LLNL

以及，将产生的能量部署到电网的机器，工程师们还没有开发出来。

所以，核聚变距离商用至少还有十年，也可能是几十年，发电厂更是遥遥无期。

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，成本又极高，短时间不可能建立起一个可行的发电厂。

在新闻发布会上，劳伦斯·利弗莫尔主任 Kim Budil 表示，发布会代表的是一次聚变点火，但要实现商业核聚变发电，还需要做许多事，其中包括“每分钟产生许多次核聚变点火”。

核聚变的艺术渲染图. 图片来自：LLNL

类似地，核聚变也无法在短时间内投入气候保护。

能源技术专家 Julio Friedmann 指出，现在取得的成果非常重要，如果不能实现输出的能量大于输入的能量，就无法成为能量的来源。但它在未来 20-30 年里都不会对气候减排做出有意义的贡献，这就是点火柴和造燃气轮机的区别。

要将升温限制在 1.5 摄氏度的“安全线”，我们必须在 2050 年前实现净零排放。依靠核聚变摆脱气候危机，是一个不切实际的梦想。

罗切斯特大学教授、激光聚变专家 Riccardo Betti，将核聚变的这次突破，比作人类第一次知道如何将石油提炼成汽油：

“你仍然没有引擎，你仍然没有轮胎，你不能说你有车。”

人类迈出了一大步，但前面可能还有几千几万步。

为了下一代清洁能源，全世界摩拳擦掌

在过去的几十年里，许多国家都在推进可控核聚变。

上文提到的惯性约束，是实现可控核聚变的两大主流方案之一，另一个是磁约束。

事实上，磁约束是目前各国主攻可控核聚变的方向，“托卡马克”装置就是最著名的磁约束核聚变的方法。

托卡马克是一种环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。

《钢铁侠》方舟反应堆就是可控核聚变.

《钢铁侠》的方舟反应堆有些像托卡马克，无论是史塔克工业基地的方舟反应堆，还是钢铁侠战甲胸口的迷你反应堆，都是“磁约束（核）聚变反应堆”。

尽管可控核聚变技术和托卡马克装置最早起源于国外，但我国已经实现了后来者居上，处于世界前沿。

建成于 2006 年的中国“人造太阳”EAST，全称为“全超导托卡马克核聚变实验装置”，又称“东方超环”，由中国科学院等离子体物理研究所建在安徽合肥。

2021 年底，EAST 实现了 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行，其间电子温度近 7000 万摄氏度，创下当时托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录。

EAST.

2020 年 12 月 4 日，由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造的新一代“人造太阳”装置（HL-2M）建成。

今年 10 月，HL-2M 取得了突破性进展——等离子体电流突破 100 万安培（1 兆安）。

未来，托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行，所以，这次突破也标志着我国距离聚变点火越来越近。

HL-2M.

“人造太阳”是世界极度关注的大科学问题，在下一代清洁能源面前，国与国是利益相关的合作伙伴关系，最具代表性的是 2006 年启动的国际热核聚变实验堆（ITER）项目。

它是目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度等成员国参与其中，各国共同造出来的一颗“人造太阳”，是目前世界规模最大的核聚变反应堆，坐落在法国南部卡达拉舍。

ITER 本体的组装工作预计于 2025 年结束，在接下来的几年里，ITER 的部件将从各个成员国运输至卡拉达舍。我国作为平等成员方之一，承担了 ITER 建设阶段 9.09% 的工作，并享有 ITER 100% 的技术成果使用权。

ITER 在 2018 年的建设状况.

煤、石油、天然气有枯竭的可能，并带来环境污染；风能、水能、太阳能等受限于天气或地理条件；核裂变所需要的铀、钚等元素储量有限，还会产生放射性。

相比之下，可控核聚变技术，是被全人类寄予厚望的未来能源方式，有“终极能源”之称，因为它几乎能一劳永逸地解决能源问题。当它真正投入商用，除了气候效益之外，还可以为贫困地区带来廉价电力。

前景是美好的，道路是曲折的，希望在目之所及的未来，能够见证“人造太阳”冉冉升起。

本文来自微信公众号：爱范儿 （ID：ifanr），作者：张成晨