核聚变到底是什么—我们何时才能利用它？

聚变能可以彻底改变我们的能源系统。但经过几十年的研究，它仍然遥不可及。

美国能源部宣布了它所称的核聚变动力研究的 "重大科学突破"：第一次，核聚变实验产生的能量超过了用于启动反应的能量。这并不是我们第一次听说核聚变的进展。已经有几十年的头条新闻吹嘘大大小小的突破，通常暗示我们比以往任何时候都更接近从核聚变中产生我们需要的所有清洁能源。

这是一个很大的问题，下面，我们总结了科学家对核聚变的梦想，以及将核聚变的力量从科学雄心转化为商业现实所面临的严峻现实。

什么是核聚变？

一个世纪以来，核聚变一直是一个难以企及的能源梦想。在理论上，它听起来有点简单。恒星，包括我们的太阳，通过一个叫做核聚变的过程来创造自己的能量，也就是原子在高温高压下融合在一起，形成更重的原子。通常情况下，这涉及到氢原子结合形成氦气。这一反应释放出大量的能量，这就是为什么地球上的科学家想要以一种可控的方式复制它(不受控制的方式做到这一点，被称为氢弹）。

核聚变与核裂变有什么不同？

我们今天的核电站通过裂变发电，这与聚变有点相反。裂变通过将原子分裂开来释放能量，而不是将它们融合在一起。

核聚变的优势是什么？

从理论上讲，一旦人类弄清楚如何以可控的方式使核聚变发生，能源可能是无穷的。氢气是宇宙中最简单和最丰富的元素。例如，你可以从海水中获取它。根据能源部的数据，如果你这样做，一加仑的海水可以产生相当于300加仑汽油的能量。

今天的核反应堆有一个大麻烦要清理，这要归功于裂变。通过分裂重原子，裂变留下了放射性废物。在未来的几百万年里，如何处理这些核废料是一个环境问题上的噩梦，至今仍然没有搞清楚。

聚变没有这些问题。通过核聚变，你在制造新的原子--通常是氦气，就像气球里的东西。它不会产生温室气体排放。更重要的是，这是一种潜在的无限的能源，不依赖于天气，这对于像太阳能和风能这样的可再生资源来说仍然是一个挑战。

为什么我们没有能够使点火成为现实？

好吧，事实证明，在实验室里重新创造一颗恒星真的很困难。为了触发核聚变，你需要巨大的压力和热量。太阳中心的环境自然提供了发生核聚变所需的极端压力。在地球上，科学家们没有那种压力环境，他们需要达到比太阳更高的温度来达成同样的反应。从历史上看，这需要的能量比科学家在实验室中通过核聚变实际产生的能量要多。

这也需要大量的资金和高度专业化的技术。考虑到所有这些，我们能够取得任何科学进展都是令人惊讶的。实际上，将其商业化？这又是一个大问题，我们稍后将讨论。

大家都在谈论的新的 "核聚变突破 "是什么？

劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的研究人员首次在地球上实现了 "聚变点火"。

简单地说，"他们向一粒燃料发射了一堆激光，而从聚变点火中释放的能量比激光进入的能量还要多，"白宫科技政策办公室主任阿拉提-普拉巴卡尔在12月13日宣布这一成就的新闻发布会上说。

具体而言，该实验产生了3.15兆焦耳的能量，而激光器用于触发聚变反应的能量为2.05兆焦耳。这大约是一个1.5的能量增益。这是很温和的，但实现净能量增益对核聚变研究来说是一个重要的第一次。

他们是如何做到的？

研究人员使用了世界上最大和最高能量的激光系统，称为国家点火设施（NIF）。NIF有三个足球场那么大，能够向一个目标发射192道强大的激光束。为了达到聚变点火，来自这192道激光束的能量挤压钻石舱内的燃料，钻石舱大约有花椒那么大，比镜子光滑100倍。囊中装有氢气同位素，其中一些 "融合 "在一起产生能量。总而言之，大约4%的燃料被转化为能量。

这是否意味着我们现在要拥有核聚变发电？

远远不是这样的。虽然该实验室实现了 "点火"，但他们的成就是基于对 "净能量增益 "的有限定义，只关注激光的输出。虽然激光器向他们的目标发射了205兆焦耳的能量，但这样做却从电网中吃掉了高达300兆焦耳的能量。考虑到这一点，在这个实验中仍有大量的能量损失。

为了最终拥有一个聚变电站，你需要一个比1.5的净能量增益更大的胜利。你需要一个50到100的增益。

那么，我们该从哪里着手呢？

有很多工作要做。研究人员正在不断尝试制作更精确的目标，以实现完美的对称球体。这是令人难以置信的劳动密集型工作。根据芝加哥大学理论物理学家罗伯特-罗斯纳（Robert Rosner）的说法，以至于今天一个弹丸靶子可能要花费大约10万美元。罗斯纳以前曾在NIF的外部咨询委员会任职。罗斯纳说，如果核聚变要实现商业化，每颗颗粒的成本需要降到几分钱，因为一个聚变反应堆可能每天需要一百万颗颗粒。

如果你想再次使用激光达到点火的目的，你将需要一个更有效的设置，并且可以更快地工作。NIF，尽管它很强大，但它是基于1980年代的激光技术。今天有更先进的激光器，但国家点火设施是一个庞然大物--它于1997年开始建造，直到2009年才投入使用。今天，NIF可以每4至8小时发射一次激光。劳伦斯-利弗莫尔国家实验室等离子体物理学家Tammy Ma表示，未来的核聚变发电厂将不得不每秒发射10次。
"这是一个点燃的胶囊，一次。要实现商业核聚变能源，你必须做很多事情；你必须能够每分钟产生很多很多核聚变点火事件，"劳伦斯-利弗莫尔国家实验室主任Kim Budil在新闻发布会上说。"有非常大的障碍，不仅是在科学方面，而且在技术方面"。

还有其他的方法可以将原子融合在一起吗？

是的，激光肯定不是用于触发点火的唯一策略。另一个主要策略是使用磁场来限制等离子体燃料，使用的设备称为托卡马克。托卡马克的建造成本要比NIF便宜得多。甚至私营公司也建造了托卡马克，因此在这个领域有更广泛的研究。

托卡马克还没有达到点火的程度。但它所使用的磁铁有可能将聚变反应维持更长的时间。(在NIF，核聚变反应在几分之一纳秒内发生。）最终，任何一个研究分支的突破都有助于使核聚变发电更接近。

那么，达到 "点火 "的目的究竟是什么？

"我们到了山顶，"贝尔法斯特女王大学的物理学教授Gianluca Sarri告诉The Verge。他说，完成点火基本上是聚变动力研究中 "最艰难的一步"，而且从这里开始基本上是 "下坡"，即使还有很长的路要走。

也就是说，达到点火的目的更多的是科学上的突破，而不是对我们的能源系统有实际应用的突破--至少在很多年内不会。

然而，当涉及到核防御和不扩散时，实现点火可能会有更直接的影响。

等等，这与核武器有关吗？

开发NIF最初是为了进行试验，以帮助美国维持其核武器储备，而不必实际炸毁任何武器。1996年的《全面禁止核试验条约》禁止在地球上进行所有核爆炸，结束了地下爆炸试验。NIF在第二年破土动工。它在12月5日的实验中最终能够实现的核点火，基本上模仿了核弹爆炸时发生的不受控制的聚变。希望在实验室中以受控方式达到点火，将使研究人员能够验证他们所开发的计算机模型，以取代现场试验爆炸。

切入正题。我们什么时候能有核聚变发电厂？

The Verge采访的最乐观的专家希望，人类可能在十年内拥有第一个核聚变电站。但是，大多数专家，尽管对核聚变发电的未来仍然感到兴奋，但认为我们很可能仍然有几十年的时间。

这能解决气候变化问题吗？

无论需要多长时间，我们都不能再等十年或更长时间，让核聚变发电来清理我们能源系统的污染了。为了防止全球变暖达到人类难以适应的程度，研究表明，世界需要在2050年左右将温室气体排放减少到净零。到2030年，来自化石燃料的二氧化碳排放需要减少大约一半。这比核聚变研究所能实现的现实世界的进展要快得多。