世界最大激光器、被称为“人造太阳”的美国国家点火装置(NIF)正距离其目标越来越近，显示了一个可持续核聚变反应装置正在由梦想逐步成为现实。但由于基础物理研究和工程技术的问题，要使核聚变达到能够稳定输出能量的水平，仍有显著障碍需要克服。

　　中东的石油、南非的黄金……能源危机已经成为困扰人类发展的重要难题之一。据研究，地球数十万年积聚下来的石油、煤炭、天然气等化石能源总体上还可供人类使用100年左右。而当前使用的核能又因其巨大的安全风险，可持续性并不被人看好。因此，核聚变成为了人类畅想获取“取之不尽，用之不竭”的能源的最佳途径。

　　依据激光核聚变原理制造的、被称为“人造太阳”的美国国家点火装置（NIF）近日传来消息，在全世界聚变装置中获里程碑式突破。

　　可控核聚变条件苛刻

　　上个世纪40年代，德国核物理学家奥多·哈恩和莉泽·迈特纳发现了核裂变，但无论是利用该反应制造的核武器或是核电站，都因燃料本身以及反应产物产生的巨大辐射，令科学家不得不一直异常谨慎地对待它。

　　与之相反，太阳释放出的巨大能量，由两个氢原子核合为一个氦原子核的聚变反应而产生。相较于裂变，每个核子释放的能量，也就是每千克聚变燃料释放的能量更多，而且地球上聚变燃料的储量更丰富，更重要的是，燃料以及聚变产生的辐射要远远小于裂变。

　　只是，所有原子核都带正电，它们之间越接近，静电斥力也就越强，完成聚变最重要的条件就是克服这种力量。太阳因其高达2000万摄氏度的中心温度，以及在自身强大重力的吸引下形成的超高的压力状态，才使得核聚变得以发生并持续。要在地球上完成这一过程，因为引力太小，压力不够，核聚变需要在更高的温度下（这样的温度下物质处于等离子体状态）才能进行。这也是可控核聚变如此艰难的原因。

显然，为满足可控核聚变苛刻的条件，首先要输入大量的能量。当核聚变反应释放的能量大于输入的能量，这一临界条件称之为点火，才有能源应用的价值。实际上，由于创造聚变条件消耗的电能，一般要3倍于它的热能才能生产出来，所以要使能量增益因子等于3时，才能真正地实现得失相当。

　　中国科技大学物理学院教授王晓方告诉笔者，如同日常生活中点燃柴火一样，点火后不再需要外界供热助燃，柴火燃烧释放的热能足以燃烧新的柴火，并使这样的燃烧释热能够持续，这才是真正实现了点火。柴火相当于核聚变中的等离子体状态物质。

　　1957年，英国科学家劳逊提出了达到点火的一般性条件，也称为得失相当条件，即劳逊判据。对于氘氚聚变，为了较容易实现，要求等离子体的温度达到1亿摄氏度。

　　美国点火计划在麻烦中前行

　　在地球上，核聚变最先是在氢弹中大量产生的。在氢弹中，引爆用的原子弹所产生的高温高压，使氢弹中的聚变燃料挤压在一起，由于物质的惯性，在飞散之前产生大量聚变（也叫惯性约束核聚变）。只不过，氢弹爆炸威力巨大，人类无法控制它。

　　上个世纪60年代，利用该原理，前苏联科学家提出并证明了激光可以使氘氚发生聚变。直到2009年，耗资35亿美元的美国国家点火装置（简称NIF）终于让科学家看到了激光核聚变实现的可能性，人类寄希望于能从该实验室中获得“取之不尽，用之不竭”的清洁核能。

　　这个世界上最大的激光聚变机器坐落在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的一个特大号“仓库”里。在装置内部，激光器会产生192条激光束，射向一个含氘氚的氢球形靶丸上使其崩溃，并产生一亿摄氏度左右的高温，从而触发氢原子聚变，释放大量能量。激光和氢靶丸的碰撞过程极其短暂，仅持续数几个纳秒（1纳秒等于10亿分之1秒）。为了达至临界点或者说点燃反应堆，激光器的设计能量为1.8兆焦耳。

　　早在去年，据《自然》杂志报道，被称为“人造太阳”的美国国家点火装置（NIF）所发射出的激光已经达到了2兆焦，也是激光向核聚变能源迈出的第一步。

　　近日，据BBC新闻网10月7日报道，在9月末进行的一次聚变实验中，聚变反应释放出的能量超过了氢燃料球吸收的能量——在全世界聚变装置中取得了里程碑突破。不过，记者尚未在劳伦斯利弗莫尔国家实验室官方网站上看到该消息。

　　事实上，NIF项目并非一帆风顺，NIF研究团队点火目标的推进曾一推再推。据《科学美国人》报道，去年美国国家科学院专家小组的一份中期报告显示，NIF激光触发核聚变的方法并不被十分看好。

王晓方告诉笔者，激光器的发射重复率还很低，无法持续聚变产能。“这是因为，目前激光器所使用的玻璃放大介质无法满足既在单位时间内能发射更多次数，又保证激光束的质量。”

　　目前，NIF的激光器每天只能发射几次。只有当每秒钟发生三四次甚至更多的核聚变且连续不断地进行下去，并且每次聚变的能量增益达到10～100倍，才能实现实用化。

　　“为了提高激光发射的重复率，科学家也在研发新型激光器，比如半导体激光泵浦，还有光纤激光器等。”但王晓方表示，这些激光器尚不能做成足够的规模，激光输出的能量还不足以来实现聚变点火。“目前，还没有找到提高激光发射重复率从而持续聚变产能的好办法。”

　　据了解，近日，NIF研究团队已经将激光对准了真正的燃料球，实验更进一步，但点火靶球却在极端的温度和压力下屡次过早破裂。不难看出，美国国家点火装置的麻烦始终与新进展同在。

　　核聚变研究期待新突破

　　事实上，除惯性约束核聚变以外，最先被科学家发现，也是至今最被看好的核聚变是磁约束。为实现磁力约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置，上世纪50年代，这种装置就被称作“托克马克”装置。王晓方告诉笔者，从工作原理来说磁约束更适合持续提供聚变能。

　　倡议于1985年的国际热核聚变实验堆（ITER）计划，是目前全球最大的磁约束核聚变实验项目，由美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国、印度和中国共同参与。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的“超导托克马克”。作为聚变能实验堆，ITER计划把上亿摄氏度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的磁场中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。不过，目前为止，该项目还一直在追加预算，在工程技术上也依然存在问题，进展迟缓。

　　王晓方表示，ITER还只是一个实验计划，即使ITER获得成功，还要建造新的聚变反应堆，才可能进入能源实用化阶段。

　　而磁约束之所以比惯性约束更被看好，还有一个原因是，NIF的设计初衷是用于测试核武器可靠性，是美国“无爆炸核试验”不可或缺的部分。此外，也能被用来模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境，进行科学试验。

惯性约束一直被认为是由涉及************和武器研发的政府和联合企业所资助的，它们研究核聚变是为了武器开发，而不是用于民用电厂。

　　但美国核武器独立专家理查德·加温曾在接受媒体采访时表示，NIF装置中的温度远远低于真正的核武器所产生的温度，他并不支持惯性约束的研发与核武器测试直接相关。

　　清华大学核能与新能源技术研究院一位不愿透露姓名的专家在接受笔者采访时表示，根据当前的材料和工程技术，核聚变远不能达到稳定输出能量的水平。他认为，核聚变实用化的关键还是来自材料领域的革命性突破。