骗子？美国核聚变试验，输出只有输入能量0.5%

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）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向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。

据悉，实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在一份声明中称，这一突破是一项“里程碑式的成就”。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

此外，加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室主任表示，如果想将这一成果商业化，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服，可能还需要几十年的努力和投资。

核聚变研究并不便宜，LLNL实验室花费了10多年，耗资35亿美元才达到如今这一成就，但科学家花这么多年时间寻找一种使聚变反应堆成为可应用能源的方法，是有好几个原因的。

核能主要有裂变能和聚变能两种形式。核裂变是指由重的原子核变化为轻的原子核，核电站发电就是用可控核裂变技术。不过，核电站弊端就是电站产生的热能大约只有百分之三十可以转化为电能，同时会有大量的热量积载在电站当中，存在严重的安全隐患。历史上发生过两次非常严重的核灾难，一是1986年苏联的切尔诺贝利核设施爆炸，再就是2011年日本福岛核设施爆炸，迫使数千人撤离，使得这两个国家大片的地区无法居住。

核聚变则是指由较轻的原子核变化为较重的原子核。据悉，可控核聚变可以用很少的能源释放出巨大的能量，在自然界中，最容易实现聚变反应的是氢的同位素──氘和氚的聚变。

而氘和氚在海水中的储量极为丰富，据估算，一升海水提取的氘能产生的聚变能源，相当于300公升汽油完全燃烧释放的能量。如果能将海洋中的数量多达45万亿吨的氘元素，全部应用于核聚变的话，释放的能量足够人类使用几百亿年。

另外，氘和氚反应的生成物是氦气，没有放射性，对环境无害。同时，一旦造成反应的等离子体熄灭，聚变反应就会终止，因此聚变燃料的保存运输、聚变电站的运行都比较安全。

目前，实现可控核聚变的最大难题是如何控制和约束核聚变反应；理论上，有三种物理方式可约束核聚变反应：重力场约束、磁力场约束和惯性约束。太阳上的核聚变就是靠太阳强大的万有引力提供的重力场约束，这个方法在地球上无法实现，目前，磁力场约束聚变技术发展比惯性约束聚变更好，法国早在2007年建立使用磁力场约束聚变的设施。

(磁力场约束聚变)

核聚变的吸引力：全球核聚变民营企业数量达到33家，融资额巨大

核聚变转化无限零碳能源的愿景吸引科学界几十年来前仆后继，近年亦逐渐成为私企的“吸金”招数，引领大批资金落入该领域。

根据物聚变工业协会的数据，在截至6月底的12个月，核聚变公司筹集了28.3亿美元（约合195.37亿元），主要在美英两国。仅2022年，全球核聚变民营企业数量达到33家，其中有6家公司的融资额超过了2亿美元，总投资额达到近49亿美元（约合341.9亿元）。投资者包括微软创办人盖茨、著名避险基金“老虎环球”和美国能源巨头雪佛龙。

能源公司托卡马克首席执行官克里斯·凯尔萨尔(Chris Kelsall)表示，他们押注自己能够在未来10年提供商业上可行的核聚变能源，“这项技术在2048年到来是没有意义的，因为太晚了。我们非常专注于在2030年代早期至中期提供技术示范，将净电力输入电网。”

凯尔萨尔补充称，核聚变产业作为对抗气候变化的潜在工具，在过去一年开始受投资者关注，人们的态度“明显发生了转变”。

距离实现核聚变的商业化、零碳能源的真正应用还有多远？

发展核聚变技术、总部位于牛津的First Light Fusion的首席执行官霍克（Nick Hawker）表示，“无限清洁能源”的前景使核聚变的潜力具有不容忽视的吸引力，“从某种意义上说，核聚变是气候变化的最终解决方案。”

伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任杰里米·奇滕登（Jeremy Chittenden）表示，这次实验产生的能量只够烧开15-20壶水，科学家和专家们现在需要弄清楚如何在更大的范围内从核聚变中产生更多的能量，以及降低核聚变的成本，以便将其用于商业用途。

“实验展示了利用核聚变点火的过程，但要变成一个发电站，我们需要开发更简单的方法达成这些条件，而且不只是效率，还要更便宜，成为民用的水平。”

此前，欧洲国家核聚变实验室组织EUROfusion的项目经理托尼·多内估计，我们要等到本世纪60年代，核聚变才能产生可观的电力。

如今，美国能源部部长格兰霍姆(Jennifer Granholm)在12月13日晚的新闻发布会现场表示，核聚变的商业化，或许可能会在未来的“几个”十年内实现，但大概率不是之前说的50-60年。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们已经从实验核聚变反应堆中获得了“净能量增益”，也就是输出的能量大于输入的能量。整个实验设施耗资35亿美元，由近200台激光器组成。在实验中，核聚变反应产生的能量是消耗的能量的大约1.2倍。美国能源部长格兰霍姆称，这是一项“里程碑式的成就”。

　　这项研究成果意味着人类首次在核聚变反应中，产生的能量比消耗的能量多。这项技术或将有效推进“零碳电力”的进程。不过外界预计，即便试验成功，核聚变的商业化应用也需要数十年的时间才能完成。

　　核聚变是使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。相比目前广泛应用的核裂变技术，核聚变产生的能量要大得多，而且不会产生放射性的核废料。

韩国能源部13日宣布了一项历史性成就：美国科学家的核聚变实验从聚变中产生的能量，超过了用于实验的激光能量，实现核聚变“净能量增益”。

据美国广播公司报道，12月5日，美国加利福尼亚州劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的科学家团队，在国家点火设施实现这一突破。该设施有一个体育场这么大，配备了192台激光器。

科学家们向目标投入了2.05兆焦耳的能量，并产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆13日说，科学家第一次复制了只有在恒星和太阳中才有的条件，这一突破是“里程碑式的成就”，将解决人类最复杂和最紧迫的问题，如提供清洁能源以应对气候变化。

利弗莫尔研究所所长金·布迪尔博士说，这是“人类有史以来最重大的科学挑战之一”，为科学家的工作喝彩。

“实现这一目标是科学、工程的胜利，最重要的是人类的胜利。”布迪尔在声明中说，“跨越这一门槛是推动60年不懈追求的结果。