核聚变通俗科普！核聚变为啥看似能量不守恒像个永动机？

12月5日，美国实验室历史性地实现了人类第一次可控核聚变的能量正增益。输入2.05兆焦耳能量，产出了3.15兆焦耳的能量。

很多朋友产生两个疑问，（1）这怎么听上去像是永动机呢，输出的能量大于输入的能量？（2）这个突破有什么实质意义？

在给大家解释这两个问题之前，先给大家交代背景知识。

1，啥是核聚变？

核聚变，跟核裂变相对应，核裂变大家比较熟悉就是核电站发电以及原子弹的原理。核聚变，就是两个较轻的原子核碰撞融合成一个较重的原子核和中子，然后释放光子能量的过程。大家知道，原子核由质子和中子组成，质子带正电。所以通俗的讲，两个原子核碰撞的时候，带正电的质子有巨大的相排斥的力，阻止他们融合。这时候需要巨大的压力和温度，强迫质子融合，形成新的原子核。太阳的能量就来自于核聚变。太阳依靠着巨大的质量产生的引力造成内部温度达到1500万度压力达到2500亿个地球大气压，这样强迫原子核不断聚合，核聚变不断的进行，产生源源不断的能量。

2，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的核融合实验

那么人类在地球怎么实现这个过程呢？氢弹是核聚变的过程，不过是不可控的，首先依靠核裂变也就是原子弹爆炸，产生巨大的能量和压强，然后促使核聚变产生，氢弹爆炸。所以每次核聚变，我们必须引爆一颗原子弹。

而美国科学家的这个突破是在实验室进行的，是可控的，不再需要引爆原子弹。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 几十年一直在探索如何在实验室引爆核聚变，并且实现能量正增益。12月5日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们,把192道激光，同时打进一个圆柱体（hohlraum）里，这个圆柱体只有一个BB弹那么大（4mm左右），而这个圆柱体里储存着等待融合的原子核。这192道激光在圆柱体里产生了1亿度温度和1000亿个地球大气压的环境，非常类似太阳内部的环境。于是促使原子核融合，发生核融合。整个过程都是在可控的环境下进行，但是非常的快，快到已经无法统计，只能说光走1英寸距离的时间。但就是在这么短的时间里，人类第一次实现了核融合的突破。

3，质量守恒，能量守恒

很多科普的发烧友问我，这个过程能量不守恒呀，输入2.05兆焦耳能量，产出了3.15兆焦耳的能量。我们在高中化学里学到，一个封闭系统进行反应，前后的能量必须守恒，质量也必须守恒。首先必须明确核融合过程不是一个化学过程而是一个物理过程。化学过程是原子或分子这个维度的变化，氢气加氧气变成水，氢元素还是氢元素，氧元素还是氧元素，过程前后不会变化。而核融合是原子核内部的变化，是个物理过程。核融合前是氘核和氚核，融合后变成了氦核。所以对于能量守恒和质量守恒的理解必须跳脱高中化学。

根据爱因斯坦的质能方程E=MC^2,能量和质量是可以相互转化的，其实能量和质量是一回事。所以核融合过程质量虽然亏损了，但是转化成了额外的能量。另外一个角度进行理解，其实质量分为静态质量和动态质量，一个物体静止不动或者低速运行它的质量和它接近光速运动时候的质量是不一样的。所以核融合过程，静态质量虽然亏损了，但是转化出的光子，虽然静态质量为零，但是因其速度很快，动态质量不是零，所以前后动态质量和静态质量都算上，总质量还是平衡的。当然这个解释是非常简化的解释。

4，意义

美国能源部给这次成功的核融合点火实验定调了两点意义：

（1）在没有核武器的情况下维持核威慑力测试

意思就是，以后进行氢弹实验的时候，不再需要首先引爆原子弹然后引导氢弹爆炸。完全可以在实验可控的环境下，研究氢弹的技术。

（2）彻底实现，零碳的清洁能源

这个非常好理解，核融合是一个完美的能源解决方案，原料充足（海水提取），基本不产生核废料，基本没有核泄漏危险，能源利用率极大的提高（1克氢核聚变释放的能量=2百吨煤燃烧释放的能量），是名副其实的人类能源革命。不过离商用还有很远的距离，不过人类实现了从零到一的突破。未来可期！