美国“人造太阳”大突破？史上第一次自持燃烧，和中国的大不一样

人造太阳是人类能源的终极梦想，一旦在地球上点燃氢聚变并实现自持燃烧，人类就有望实现能源自由，彻底摆脱对化石能源的依赖，我们的星球也将不再被持续加热，避免即将到来的气候崩溃，生灵涂炭。

现在，美国的“人造太阳”——国家点火装置，已在人类历史上第一次实现了自持燃烧，8月8日同时发表的3篇重磅论文，详细介绍了达成这一进步的实验设计、改进、测量和结果。那么，这是不是意味着美国的“人造太阳”就要升起，率先实现可控核聚变的重大突破了呢？事情可能复杂得多，而且中间还藏着一个人所皆知的重大“秘密”。

• 能量来自哪里？

宇宙大爆炸后经历了漫长的黑暗时期，直到分子云坍缩点燃氢聚变形成恒星，整个宇宙才被照亮，而氢聚变就成了这个宇宙中最主要的能量来源。我们的星球也是沐浴在太阳氢聚变释放的能量中，孕育出日趋复杂的生命形式，直到我们人类的出现。

但太阳的光辐射飞向四面八方，地球能得到的，仅仅是微不足道的极小部分，千百年来我们只能靠燃烧化石燃料来维持发展，导致地球被不断加热，气候崩溃可能已近在咫尺，人类和其他生命岌岌可危。

• 两种人造太阳

人造太阳可能就是力挽狂澜的关键，它可以把太阳搬到地球，在地球上实现氢聚变，让我们有取之不尽，用之不竭的能源，而又不用加热我们的星球。

在地球上实现氢聚变目前主要有两个方向，一个是托卡马克装置，利用磁场来约束高温等离子体，维持氢聚变，包括国际热核聚变试验反应堆、中国的东方超环及韩国的类似装置等，都是属于这一类型。

而美国的国家点火装置属于另一个方向，它是一种惯性约束装置，利用强大的激光压缩聚变材料，使其内爆产生高温高压来点燃氢聚变，更像是发生在太阳中的情形，只不过太阳是通过物质的巨大引力，而不是激光来压缩中心的聚变材料。

无论是哪种人造太阳，都需要输入巨大的能量，才能实现氢聚变点火——这里要解释一下，实际是氢的同位素氘-氚聚变，这种聚变相对来说是最容易实现的，所以目前的人造太阳实验用的都是氘和氚，为方便起见，我还是统称氢聚变。

• 人造太阳如何才算成功？

人造太阳成功的最终标志，就是氢聚变点火-自持燃烧-产生的能量大于输入的能量总和。

目前全球的托克马克装置都还未能实现氢聚变点火，中国的东方超环已实现1.2亿度101秒等离子体运行，1.6亿度20秒等离子体运行，以及1056 秒的长脉冲等离子体运行，接连刷新世界纪录。但这仍离人造太阳升起发电还有很长的距离，韩国的预期是在未来30年内开始利用核聚变发电。

• 美国国家点火装置

美国的国家点火装置，是用3个足球场大小的各种设施设备，产生192束强大的高能激光，分成两组射进一个直径10米，重达130吨的钢球“靶室”里，在10亿分之一秒的时间内，相向射入中间一个直径约6.72毫米，由金和铀制造的圆柱形“黑腔”，而黑腔的中央，是一个1毫米大小，装着约200微克氘氚燃料的胶囊。

激光的总能量高达200万焦耳，峰值功率500万亿瓦，从“黑腔”的两端射入后会在内壁反射产生X射线，让3个足球场大小装置产生的能量轰击区区1毫米大小的胶囊，导致其瞬间坍缩（内爆），速度高达350公里/秒，氘氚原子在1亿摄氏度的极端高温和1000万个大气压下发生聚变，产生氦原子核（α粒子），并释放高能中子和其他形式的能量。

这时候如果条件合适，内爆对称，压力和温度足够高，这些α粒子就可能轰击周围的氘氚燃料，引发可以自持的聚变反应，相当于我们用激光去点火，这个装置因而被命名为国家点火装置。

这次论文所说的点火，实际是在去年8月8日实现的，在这个过程中胶囊产生了1.35兆焦耳 (MJ)的能量，是它内爆点接收能量的50倍，胶囊接收能量的6倍，输入激光能量1.9兆焦耳的70%——如果达到或超过100%，才能说这个微型人造太阳完全成功了。而地球历史上首次发生的受控氢聚变连锁反应，也仅持续了100万亿分之一秒，之后的重复实验，也未能再现这样的过程，由此可见，要实现自持氢聚变是多么的困难。

这个原因其实说复杂也复杂，说简单也简单，要用3个足球场大，长达1公里的厂房设备，把422兆焦耳电容存储的能量，转换成1.9兆焦耳的192束激光，精确引导到一个1毫米大小的胶囊上，时间误差还不能超过30皮秒，整套设备必须实现零震动和零热涨冷缩，所有机械都必须完美，即使10吨重的设备，安装误差也不能超过100微米，这就意味着任何些微的差错，都可能导致结果的面目全非。

• 美国人造太阳的秘密

然而，如此厉害的装置，如此重大的突破，这个玩意儿却并不是专为人造太阳而建的，而是藏着一个人所皆知的重大“秘密”。这就是在全球禁止核试验后，美国可以通过这个装置测量与温度、密度和压力相关的聚变参量，作为计算机模拟核爆的标定参数，为评估核武器提供秘密的关键数据——你知道它是干什么的，但你不知道它干了什么，得到了什么。

所以虽然只实现了这一次的自持氢聚变，但这一年里在其他基础物理方面，美国科学家们也进行了很多实验。而最关键的是，这个装置已为美国培养了众多高水平的人才，推动了核聚变和其他核技术等多个领域的发展，并保证了核武库的长期安全和性能。

国家点火装置的点火，就像人为压缩氘氚制造一个极为微小的太阳；

托克马克装置的点火，则是利用超导建立的强大磁场，将上亿度的等离子体约束在直径数米的范围内，更像是一个真正的太阳。

所以我觉得真正的人造太阳，可能还是托克马克装置，美国这个倒像是打酱油的，要是把两者结合在一起会怎样？

这三篇论文发表在8月8日的《物理评论快报》和《物理评论E》上，刚好是在一年之后，无疑具有极为重要的意义。

参考：

Lawson Criterion for Ignition Exceeded in an Inertial Fusion Experiment

Experimental achievement and signatures of ignition at the National Ignition Facility

Design of an inertial fusion experiment exceeding the Lawson criterion for ignition