骗子？美国核聚变实验，输出只有输入能量0.5%，到底是不是真的？

加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的美国科学家有史以来第一次成功地产生了核聚变反应，从而产生了净能量增益，这个消息让一直进展缓慢的核聚变领域为之一振，各大媒体纷纷开始了报道，称这将是历史性的进展，或将开启未来的“无限能源”时代。

但笔者不得不泼一盆冷水，利弗莫尔国家实验室国家点火装置是惯性约束核聚变，这个装置确实是最有可能实现核聚变的点火方式之一，但要实现发电难度却相当大，不过这个点火方式成功，或将问人类开启宇宙大航海时代的大门！

利弗莫尔国家实验室：核聚变反应成功报道

据SMC发表的报道，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置的美国科学家有史以来第一次成功地产生了净能量增益的核聚变反应！科学技术设施委员会 (STFC) 中央激光设施 (CLF) 等离子体物理组的 Robbie Scott 博士表示：

“聚变有可能提供近乎无限、安全、清洁、无碳负荷的清洁能源。国家点火装置的这一开创性成果是聚变“能量增益”的首次实验室演示——输出的聚变能量多于激光束输入的能量。

不可低估这对于激光聚变研究来说是一个多么巨大的突破。更重要的是，它为激光惯性聚变能源的快速发展铺平了道路——激光聚变发电。

英国中央激光设施 [CLF] 主任 John Collier 教授表示：

“几十年来，CLF的 Vulcan 激光器一直是激光聚变研究的主力军，来自英国大学和国际的团队进行了开创性的研究，以增进我们对支撑激光聚变的等离子体物理学的理解。CLF还是开发高效激光器的领导者，未来将需要通过激光聚变产生能量。

估计大家这些报道都云里雾里，这实验的意义那么大，到底是怎么实现的？难度真有那么高吗？

核聚变时代：两种方式，究竟哪种更有前途？

大家对上文中的“国家点火”装置应该很好奇，确实有“核聚变点火”的这个说法，而核聚变其实不只是利弗莫尔国家实验室的这种激光点火方式，还有一种磁场中聚变的的方式，这两种方式可以归纳为如下：

• 1、磁约束核聚变；
• 2、惯性约束核聚变；

这两种方式都是目前全球科学家正在全力突破的方向，但路线却大不相同，甚至大相径庭，下文就对这两种方式做个简单介绍，看完大家就能知道这个原理是什么、难度如何、目前的进度怎样，未来的应用层面又是怎样。

核聚究竟是怎么发生的？

很多科普文中介绍的核聚变都将其形容为太阳的力量，但事实上太阳上发生的核聚变和人类目前在突破的核聚变完全不是一回事，下面打算几句话把这个区别说清楚：

• 1、氢有三种同位素，分别是氕、氘、氚，
• 2、太阳上发生的过程是氕氕变成氘，再氕氘聚变；
• 3、人类目前在突破的是氘氚聚变；

上图为太阳上发生的质子链反应过程，其原理是在极端的超高温和超高压条件下，氢的同位素质子聚合到一起生成一个新的原子核，而在生成新原子核过程中，其质量大约会少一丢丢（大约在0.7%）左右，而丢失的这部分质量就会通过质能公式转换为能量！

不要以为这个能量很少，只要产生1g的质量亏损就大约相当于2万吨TNT爆炸的能量，而这大约需要100g氘氚物质聚变，威力之大难以想象，如果无法理解的话试着理解下氢弹为什么会有那么大威力即可。

受控核聚变是怎么实现的？磁约束还是惯性约束？

核聚变需要超高温与超高压的环境，因为只有在这样才能让原子核靠得更近从而形成聚变条件，在氢弹中是利用原子弹爆炸形成的X射线在外壳材料的反射聚焦下对氘氚物质进行压缩，从而达到聚变条件。

但要是受控的核聚变堆中肯定不能这样操作，毕竟原子弹一引爆，所有的结构都被摧毁了！所以天才的科学家在核聚变发展道路上有两种思路来解决这个非常麻烦的问题：

• 第一个方法：利用磁场约束高温等离子体

这个原理是将氘氚气体加热到等离子状态，此时的离子流是带电的，然后再用强大的磁场控制这个离子流，并且对其不断加热，直至其发生聚变反应，整个反应室被抽成真空，在磁场的控制下不接触内壁，隔绝高温。

氘氚持续反应后的氦气从一侧被引出，而另一侧则引入高温的氘氚等离子体进入等离子流继续聚变反应，聚变后的高温通过辐射被反应室内壁吸收用来加热介质，可以是中间传热物质或者直接加热水，产生蒸汽通过管道推动蒸汽轮机再带动发电机源源不断的输出电能。

ITER：国际热核聚变装置

这就是理想的聚变“反应炉”的工作过程，它的典型结构就是各位熟悉的托卡马克，这是天才的前苏联科学家想出来的结构，经过半个多世纪的改良，目前的全球35个国家的科学家在法国南部夜以继日突破的ITER的基本结构也是托卡马克结构。

从2007年成立以来一直到现在还在折腾，各位从中也可以了解到，磁约束核聚变难度不是一般的高，主要问题集中在超高温等离子体的稳定约束时间这个难题上，因为在极端高温下的等离子体其电动力学性能相当复杂，很容易就会突破磁场的约束从而破裂，轻则约束失败，重则内壁被烧一个大洞，导致装置重大毁损事故。

这是其中一个线圈

为了产生这个强大的控制磁场，ITER中产生磁场的线圈使用了超导材料，2019年界面新闻曾报道中国向国际热核聚变实验堆（ITER）的交付的首个大型超导磁体线圈——重达400吨的极向场6号线圈成功，当然ITER远不止一个线圈。中国承担的任务除了线圈中国还想ITER交付了内腔耐高温的第一壁。

ITER的目标是将等离子体加热到10亿度并维持超过500秒的时间，此时这些等离子体将会发生核聚变并产生大约500MW的能量，当然到现在为止它还没开机呢，目前正在加紧建设中，预计到2025年将会首次开机测试等离子体控制，到2035年才会开始氘氚聚变实验。

各国进展：中国实力雄厚

除了国际热核聚变装置ITER外，实力比较强的多国也在各自单干，比如中国就有全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），目前的最高纪录是电流1兆安、等离子体1.6亿度、稳定约束1056秒。

韩国大田研究基地国家聚变研究所的超导托卡马克核聚变装置KSTAR在2021年11月25日达到了等离子体在1亿度的条件下稳定约束30秒。

• 第二个方法：激光加热致热核聚变

与磁场约束超高温等离子体相比，激光致热核聚变的方式显然更为暴力与直接，而全球最大且最知名的装置要数美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置（NIF）,这个装置的中心是一粒直径4.4毫米的靶标，中心则是一个更小的含有氘氚气体的“胶囊”。

而在它的周围是以一个设计了192束、总功率高达500太瓦的激光，在1微微秒内击中靶丸，中心包裹的氘氚气体在瞬间将被“点燃”聚变，看着是不是很容易？事实上这个结构可复杂了，因为直接用激光加热靶丸的效果并不好，需要将激光倍频转换成紫外波段。

NIF 的基本布局

这个倍频在到达靶丸前的倍频转换器中完成，由磷酸二氢钾单晶切割而成的薄片（约1厘米厚）制造，1053纳米的红外激光穿过第一张薄片时会被转换成527纳米（绿色）激光，通过第二张薄片时将转大部分527纳米和剩余的1053纳米激光转换成351纳米(UV：紫外) 激光。转换效率约为50%略少一些，4MJ的能量抵达靶丸时只剩下1.8MJ。

在12月12日公布的消息中，输入的1.8MJ能量大约输出了2.5MJ的能量，取得了输出大于输入的好成绩，确实不容易：

• 1、2013年9月28日的点火中，靶丸聚变发射产生了5×10^15个中子，清楚地观察到阿尔法加热过程，该反应已达到“科学收支平衡”，折合能量为10~14KJ，Q值为0.008；
• 2、2018年的点火测试中，1.5MJ的激光能量输入，输出了0.054KJ，Q值为0.036；
• 3、2021年8月8日，1.8 MJ的能量输入，输出了1.3 MJ的能量，Q值为0.72；
• 4、2022年12月11日，输入1.8MJ能量，输出约2.5MJ，这是国家点火装置自2012年射出第一束激光以来第一得到Q值大于1的试验。

Q值就是聚变能量增益因子（Fusion energy gain factor），用符号Q表示，是核聚变反应所产生能量与维持反应器等离子体稳态的输入装置能量之比。 当Q = 1 ，聚变反应所释放的功率等于维持反应所需的加热功率时， 称为收支平衡。

当然Q值不能只大于1，而且要远远大于1，各位知道为什么吗？原因很简单，因为NIF产生这4MJ的激光，其输入能量高达422MJ，而据Science Media Centre网站上的报道，输入能量加上损耗等后还高达500MJ，估计这就让大家傻眼了吧，假如要打个比方的话，就是启动一台喷气式飞机的发动机并让打开加力，结果却点了一根烟。

这个真正的Q值为0.005，当然我们也不能就此一棍子打死，毕竟与输入的激光束相比还是取得了大于1的Q值，至少还是开启了希望。

宇宙大航海时代：惯性约束或更有前途

与磁约束核聚变很容易将能量导出并用来加热介质不一样，惯性约束核聚变装置很难将能量导出是个非常麻烦的问题，不过它却能开启一项前所未有的技术，用核聚变产生的高能量粒子直接推进飞船前进。

这个有点像使用核弹爆炸推进的核动力猎户座计划，这个推进原理是向飞船后方抛出一枚小型核弹和一个塑料飞盘，此时引爆核弹，高温直接将塑料飞盘蒸发并撞击在飞船尾部的缓冲推进舱上产生推力，尽管这个推进效能很低，但最终将在1000年内抵达半人马座阿尔法星。

核聚变显然要比丢核弹要靠谱得多，另外同样质量聚变产生的能量是裂变的10倍左右，燃料携带量也可以减少，如果聚变的高能粒子轰击挡板推进飞船前进，那么将变成《三体》中的恒星级飞船，只要携带氢同位素燃料即可完成星际航行。

而磁约束核聚变在这方面则相对比较难，可能需要借助“工质”的方式，这就额外增加了飞船的质量，也许惯性约束更适合星际航行。

延伸阅读：氚很难取得

聚变用的材料是氘氚，氘是重水，很容易取得，量大管足，但氚就不好找了，这个取得很难，价格不是一般的高，不过有一个办法，可以让聚变生产氚并以此维持。

原理不复杂，氘氚聚变会多余一个不受磁场控制运动方向的中子，正常情况下，这个中子会击打在核聚变反应炉内壁，也就是第一壁上导致材料“嬗变”，也就是吸收了一个中子后的原子核会变成放射性材料，甚至变成另外一种材料，这让科学家很苦恼。

但中子也能让锂-6吸收一个中子后产生一个氦-4原子核和氚原子核，所以氚不就生产出来了？从理论上来看，一个氚原子核和氘原子核聚变后产生一个中子可以产生一个氚原子，刚好形成自持，但实际效率可能没那么高，因为中子不受控制，无法四面八方布置锂-6靶标，因此需要适当补充些氚燃料，但惯性约束似乎不能这样操作。