12月5日，在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），那台有3个足球场那么大，配备了192个激光器的国家点火装置（NIF）上，第一次实现了能量的正收益。图中所示为空腔胶囊内的目标弹丸，激光束从两端的开口进入。光束将目标压缩并加热到发生核聚变的必要条件。 “50年魔咒”：艰难的可控核聚变 自上世纪30年代以来，将近100年的时间里，多少国家、多少科学家投入巨大的财力精力试图实现可控核聚变，都没有获得成功，以至于科学界有这样一个笑话，不管你什么时候问离可控核聚变还有多远，答案永远是——还有50年。 众所周知，聚变能是最具潜力、最稳定的清洁能源，也是太阳能量的主要来源。核聚变反应是两个较轻核子结合产生较重核子的能量反应。核子合并时，会丧失部分质量，根据质能方程，这部分质量将转化为能量释放出来。 聚变能是人类社会的未来，这一点在学界几乎没有争议。人类第一次掌握氢核聚变反应，是通过氢弹实现的。然而，氢弹是不可控的，只能用于战争和威慑，要进行可控核聚变反应却十分困难。 首先是高温。由于原子核带正电，必须在极高温下才能获得足够的能量，以克服彼此间的库仑势垒，使得原子核足够靠近，这时它们通过量子隧穿效应产生核聚变反应的几率才会更大。值得注意的是，尽管太阳核心温度已经高达1500万摄氏度，但仍远未达到核聚变反应的要求。根据量子隧穿效应，太阳内部发生聚变的几率只有10^28分之一。 其次是密度。用以衡量等离子体约束区单位体积内粒子的个数。这个也不难理解，因为保持足够的密度，意味着单位体积内会拥有更多的氘、氚原子核，能够有效提高原子核间的碰撞效率，以获得足够的核聚变反应率。 最后是能量约束时间。高温等离子体的能量以辐射和热传导的形式逸出。等离子体总能量热传导损失所需时间被定义为能量约束时间，这也是聚变装置重要指标。高能量约束时间意味着装置具有良好的隔热性能，能量流失得缓慢，这也会以进一步提高核聚变反应率。 可控核聚变的实现方案 在过去的几十年里，热核聚变研究形成了两大分支技术路线，一是磁约束聚变（托卡马克），比如中国的东方超环 (EAST) 和国际热核聚变实验堆(ITER)，它是利用托卡马克装置来操控氢的同位素——氘和氚，使之能够成等离子体，并加热至1亿摄氏度左右，使其相关碰撞，继而发生聚变，并释放能量，另外还有仿星器，反向场箍缩及磁镜等装置。由于长开发周期及高资金消耗，很多国家到现在还没有产生比较大的进展。 另一平行研究分支是惯性约束聚变，主攻方向是激光聚变，另外还在研究轻、重离子束聚变及其它装置。有代表性的就是国家点火装置（NIF），它用超高能的激光轰击微小的核燃料，使其坍缩内爆，模拟太阳内部的环境，实现氢聚变点火。 比如美国这次使用的就是这个，由近200台激光器组成，有三个足球场那么大，这种装置会产生192束高能激光，然后同时让它们一起轰击一枚直径仅有2毫米的胶囊，以启动核聚变反应。据悉，LLNL的实验获得了成功，输入的能量为2.05兆焦耳（MJ），在核聚变反应后的输出能量约为3.15兆焦耳——产生的能量比输入的能量多50%以上。整个实验数据分析仍在进行中。由于高于预期的能量输出损坏了一些诊断设备，后续分析变得复杂。
一种基于激光的惯性约束聚变研究装置，图中技术人员使用服务系统升降机进入目标室内部。 2007年，中国在加入ITER的时候，在核聚变领域还是一个新手，时至今日，ITER仍没有造好，中国先后发展了中国环流器一/二号(HL-1/2)、EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak，东方超环)和中国聚变工程试验堆CFETR等，已经建成三个托卡马克装置，还给仿星器项目设计了一套磁约束系统。 两大技术路线，谁会胜出？ 在过去的几十年里，两大路线都在不断投入研究，也都面临类似的瓶颈，那就是如何实现能量正收益。 |
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