“人造太陽”，美國另闢蹊徑，後發先至？別急着下結論_風聞

大家好，我是烏鴉。

人類夢寐以求的一勞永逸解決能源問題的“人造太陽”——可控核聚變技術，又有“重大新聞”傳出了。

去年年末的12月13日，美國能源部（DOE） 和國家核安全局（NNSA） 宣佈，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的**“國家點火裝置”（NIF）**首次實現了激光聚變點火。

這個消息，從直觀角度看，意味着人類研究數十年的可控核聚變過程，首次跨過了盈虧平衡，也就是説反應產生的能量超過了輸入的能量。畢竟作為人類能源難題的最終解決方案，要是產出能量還不如耗費能量那還有個啥的現實意義啊！

果如是，那這毫無疑問是“重大突破”了。

美國在年底突然爆出消息，顯然有點“搞年終鉅獻大新聞”的意思。更何況，大家更熟悉的核聚變“託卡馬克”路線這幾十年沒出菜，人家美國人換了一條賽道這就出重大成果了，是不是能證明點什麼。

但是，不少人原以為會引起軒然大波的新聞，現實中並沒有激起多少浪花。

這樣的發展意料之外，但也情理之中。因為可控核聚變這領域，其實時不時總是傳出此類猛一看吊炸天的新聞，結果證明並沒有真正的實質突破，吃瓜羣眾一劈開總是這樣的“生瓜”，久而久之出現免疫反應。

簡稱：麻了。

人們一直在憧憬未來用上聚變能，徹底解決能源危機的日子，但是滿懷期待，卻一次次“被打臉”，於是就有了那句耳熟能詳的“離成功實現可控核聚變還有50年”，這已像思想鋼印一般牢牢地佔據着人們的心智。

沒人知道類似的言論最早出自於何處，但**“永遠還差50年”**的論調儼然已經成了可控核聚變的特色時間表。

那美國這次的成果到底是一次“真突破”，還是又一次“狼來了”呢？

這裏不妨再次介紹一下“可控核聚變”。

大家知道，地球上的能源，根本上來自太陽系唯一的恆星——太陽。而主要由氫、氦氣體組成的太陽上，無時無刻不在發生核聚變反應。

核聚變是質量較輕的原子核在極端環境下結合形成較重原子核的過程。例如氫的同位素氘（2H，一個質子一箇中子）、氚（3H，一個質子兩個中子）可以結合形成氦（4He），並釋放出額外的能量。

 

根據愛因斯坦的質能方程E=mc²，質量和能量之間具有嚴格的對應關係。聚變反應釋放的能量就來自於反應前後物質的質量變化，人類終極追求的聚變能便是根源於此。

人類不是不能利用聚變能。早在上個世紀五十年代，人類就已經實現了能夠毀天滅地的人造核聚變——氫彈。但是，這種方式顯然不能當成人類能源的解決方案。

若把利用能源比作燒開水，氫彈是能把水燒開，但也把水壺燒成灰了。

為了能更安全地利用聚變能，它就不能再被那麼隨意地釋放出來。這也就是人類所追求的可控核聚變。

相比於一爆了之的氫彈，在實驗室或發電廠裏實現核聚變則要困難得多。原因在於，想要發生聚變反應，輕原子核內的質子必須要克服越近越強的電磁斥力，才能結合形成新的重原子核。

為了壓過電磁斥力，外界必須給它們提供足夠大的力量。

在氫彈中，靠的是內部的小型原子彈爆炸來給聚變燃料賦能。

參考氫彈的原理，人類在可控核聚變的研究中，可以通過營造類似於核爆炸的高温高壓環境，引發聚變反應。

美國的NIF就是這麼一條路線，它的佔地面積約有三個標準足球場大小，在如此大的室內空間裏，排布着192條管道線。這些管線最終匯聚於一個直徑10米，重13噸的鋼製空心球體內中。

當NIF運行時，管線內會產生並射出峯值功率達500太瓦（1012瓦）的高能激光。

這些激光會在皮秒（萬億分之一秒）量級的時間差內（相當於説幾乎是同時）抵達球體中央，而它們運動的終點則是球體中央放置的一顆針尖大小的****聚變燃料靶丸。

燃料靶丸具有多層結構，由多種材料組成。在目前較為成熟的設計裏，構成靶丸外層的材料主要是碳氫（CH）、高密度碳（HDC）或者鈹（Be）。內部則是等待發生聚變反應的氘、氚。

《激光慣性約束聚變靶製備技術研究進展》 高莎莎等

當激光照射到靶丸上後，靶丸外層最先爆炸並轉變為温度達上億度的高温等離子體，爆炸產生的衝擊波繼續向內壓縮靶丸。整個過程發生的時間極短，幾乎在一瞬間，靶丸的密度會被壓縮到原來的1000倍！

靶丸中央的氘氚燃料受到如此強大的壓力和高温作用，便會發生聚變反應。

這條技術路線也被形象地簡稱為“激光打靶”。

自2009年建成以來，NIF進行了多次實驗，如此算來也是快15年了。其取得技術突破的最大難點，並不在於產生核聚變本身，而是如何產出足夠多的能量。

至於説多少算“足夠多”，就如同前面咱們説到的，聚變反應產生的能量，最起碼也不能比輸入的能量少，也就是最低限度的盈虧平衡。

衡量這個水平，在可控核聚變領域有個被稱為能量增益因子的參數Q，指的是聚變反應堆中產生的聚變功率與維持等離子體處於穩定狀態所需的功率之比。

具體説來，Q=1時就對應盈虧平衡，只有Q>1時，才能認為輸出能量大於投入能量，聚變能才是有理論上的利用價值。實際上，Q值需要大於10，乃至大於30，才有真正商用的意義。

然而就是這個最起碼的要求Q>1，幾十年人類都沒有實現，也就是説這些年人類產生安全聚變能的嘗試無一不是“虧本買賣”。這把美國NIF“官宣”實現了，照理説當然有里程碑級的意義。

然而，如此重大的成果激起的浪花並沒有持續多久，這不得不讓人對它的價值產生懷疑，而懷疑的源頭就在於美國官方對實驗能量“投入和產出”的定義。

NIF的新聞通稿中提到，本次實驗向燃料靶丸輸入了2.05兆焦耳的能量，最終產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出。

這樣看來，Q值刷到了1.5以上，這不妥妥超越了盈虧平衡。

但如果以多數人認知的“投入”和“產出”來説，實驗“輸入的2.05兆焦耳能量”並不是全部的“投入”，它僅僅是燃料靶丸受到轟擊的能量。實際上，為了將這約2兆焦耳的能量“打進去”輸入給靶丸，還要消耗大量的能量。

這個數字是多少呢？答案是400兆焦耳以上的電能！

這樣説起來，砸進去400多兆焦耳能量，產生“區區”3.15兆焦耳的聚變能，這局簡直堪稱“慈善局”。

這400多兆焦耳的電能幾乎全被用來製備激光。雖然激光的唯一作用就是轟擊靶丸，但由於無法保證它的所有能量都會被靶丸吸收（個別激光束可能射偏），所以能量的浪費在所難免。

然而這些損失的能量並沒有被NIF算作成本。

那麼NIF是純粹吹牛皮被打臉，高調宣揚的實驗成果全然沒有意義？

那也不是。因為哪怕NIF這個名義上的盈虧平衡，也是“史無前例”的。而且，作為世界上最強大的激光慣性聚變裝置，NIF在Q值上還保持着肉眼可見的進步趨勢。

2018年，它在1.5兆焦耳的轟擊能量下取得了0.054兆焦耳的聚變能量輸出，輸出輸入比為3.6%；

2021年8月8日，它在1.8兆焦耳的轟擊能量下取得了1.3兆焦耳的聚變能量輸出，輸出輸入比約70%；

2022年12月5日，它將2.05兆焦耳的轟擊能量下取得了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，輸出輸入比約150%。

短短4年間，NIF實驗的能量產出率提高了近50倍。這個成果還是值得肯定的。

更重要的是，人類更早採用的，已發展了六七十年的另一條技術路線——託卡馬克，在Q值上的瓶頸始終難以突破，“新賽道”上的NIF才給了人們某種新的希望。

烏鴉之前曾經科普過“託卡馬克路線”的發展歷程。託卡馬克源於俄語，由“帶軸向磁場的環形室”的首字母組合而成。這類裝置的內部構造就如同俄語原意描述的那樣，是一個帶磁場的環形艙室。

與NIF利用高能激光轟擊聚變燃料不同的是，託卡馬克則是以**“磁約束”**的方式來實現核聚變。技術方案的不同也就意味着實驗效果的不同：相較於NIF的瞬間暴力，託卡馬克則顯得更“温柔持久”。

在託卡馬克中，氘氚燃料同樣會被加熱為上億度的等離子體狀態。不過，由於不會經歷NIF中激光轟擊進而爆炸壓縮的過程，託卡馬克中的等離子體密度一直都很低，這也導致它無法徹底完成聚變反應。

而為了讓燃料充分地反應下去，託卡馬克需要將離子體長時間地約束在真空艙室內。這時問題就來了：等離子體的温度那麼高，你怎麼讓它們老老實實地呆在裝置內？畢竟這種高温沒有什麼現有的材料可以遭得住。

科學家想到的應對方法是用磁場。磁場會使運動的帶電粒子發生偏轉，只要將託卡馬克內的磁場設計為某種特定的形狀，就可以保證等離子體一直繞着艙室繞圈圈，且完全不會接觸到艙室內壁。而只要等離子體在艙室內呆的時間足夠長，它們就有可能一直反應下去，進而實現能量輸入輸出的盈虧平衡。

然而事情的進展不遂人願，到現在全球託卡馬克裝置達到的最佳Q值成績為0.67，可以説離平衡還遠着，而且似乎缺乏突破的跡象。

不過在漫長的研究過程中，科學家也有重大的發現，盈虧平衡的實現和等離子體的温度、密度、約束時間三個參數的乘積有關，也就是著名的勞森判據和三乘積。

n(密度)·T(温度)·τ(約束時間)

當三乘積大於某個數值時，就意味着實現了盈虧平衡。

這個判據有什麼意義呢？其實它最大的意義就是給相關科學研究指明：“努力”是有意義的，想辦法讓這三個參數變得更大，就更接近盈虧平衡的目標。

各國的託卡馬克裝置就在這上各顯神通，有的追求高温，有的追求長約束時間，不斷突破相應的極限。

其實在美國年底爆“大新聞”後，中國核聚變研究在今年年初也發佈了好消息，中科院合肥物質科學研究院“人造太陽”東方超環EAST團隊，在高能量約束模式等離子體運行方面取得了重要科研進展，發現並證明了一種新的高能量約束模式，這種先進模式大幅度提高了能量約束效率，能保障長時間尺度上的高性能等離子體運行。

這正是在這條賽道上新的努力嘗試。

當然，既然“努力”是有用的，託卡馬克的未來，當然是將人類的智慧、能量越多地匯聚越有成功的希望，而這前景一度也擺到過人類的面前。

1985年，時任美蘇領導人里根與戈爾巴喬夫在日內瓦峯會上倡議，由美、蘇、日本以及歐共體共同啓動**“國際熱核聚變實驗堆”（ITER）**，準備在2010年建成。

然而這個“國際合作”項目，幾乎從一開始，就面臨着各國間不斷的矛盾、算計。

1998年，由於嫌ITER項目報價過高，美國眾議院乾脆要求美能源部無條件拒簽下一階段協議，相當於直接退出了這個項目（後又加入）。當時日本經濟的泡沫也不斷破裂，而歐洲各國為了統一歐元問題，在財政上更是自顧不暇，於是四方一合計，共同決定延長ITER的項目建設設計。

中國於2003年抓住時機加入了該項目，併成為了推動項目前進的主要力量。如

ITER第三任總幹事伯納德·比戈所言的那樣：

“中國的貢獻很大，積極性很高，政府充分支持。迄今，中國一直按時按規格需求交付創新型的特定組件。所以，中國是ITER項目建設真正的典範。”

然而中國一家的努力救不了國際合作。從1988到2020年間，三十多年時間裏，ITER項目經歷了概念設計、工程設計、場地準備、綜合體建設、託卡馬克組裝等階段。而就是託卡馬克裝置的組裝這一步驟，到現在仍在“進行中”，不得不説效率極其感人。

各國各有各的算盤。比方説美國關閉了自己的大型託卡馬克裝置，從“託卡馬克路線”大舉轉軌“激光打靶路線”，除了在可控核聚變研究上的考慮之外，恐怕還跟核武器研發高度相關。因為國家點火裝置NIF能模擬核爆炸環境。

前面咱們提到提到，氫彈引爆靠的是內部的小型原子彈先行爆炸，由此帶來的高温高壓環境會促使核聚變反應的發生。NIF那些高能激光束也能產生相同的效果。在已經全面禁止核試驗的條件下，這種試驗顯然比超級計算機的模擬核爆更具實效。

NIF的官方新聞對此其實也直言不諱：“NIF的團隊的工作將幫助我們解決人類最複雜和最緊迫的問題，例如提供清潔能源來應對氣候變化，並在沒有核試驗的情況下保持核威懾力量。”

其實“激光打靶”這條賽道，也不是隻有美國人在這上開疆拓土，法國兆焦耳（LMJ）、中國“神光”系列、日本GEKKO XII等，也都在推進研究，只是沒那麼高調，畢竟這玩意跟氫彈有着此種微妙的關係，瓜田李下的説不清楚。同時，多數國家還是跟中國一樣，“兩條腿走路”，同時在託卡馬克路線上尋求突破。

觀察人類數十年來有關可控核聚變的研究，“永遠差50年”這個命題似乎真就不是一句簡單的玩笑話。

畢人類之智慧，只爭朝夕，50年鴻溝未必不可逾越。只是，“畢人類之智慧”這個前提條件，恐怕再過50年也難以滿足。