當地時間12月13日，美國能源部正式宣布了一項核聚變的歷史性突破。加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(下稱LLNL)的科學家于12月5日首次成功在核聚變反應中實現“凈能量增益(Net Energy Gain)”，即受控核聚變反應產生的能量超過驅動反應發生的激光能量。

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這一時刻也被稱為“聚變點火(Fusion Ignition)”，是實現可控核聚變的關鍵步驟。美國能源部稱，這一突破將永遠改變清潔能源和美國國防的未來。

實驗在LLNL的“國家點火設施(NIF)”中進行。該設施耗資35億美元，大小近似一個體育場，是世界上最大、能量最高的激光系統。

NIF的反應堆是一個基于激光的慣性約束核聚變裝置，使用強大的激光束產生類似于恒星和巨行星的內核以及核爆炸時的溫度和壓力。

核聚變是一種人造過程，可以復制為太陽提供動力的相同能量。核聚變發生時，兩個輕原子核結合形成一個較重的原子核，并釋放出大量能量。由于高溫高壓下的聚變反應難以精確控制，“凈能量增益”始終是核聚變難以實現的目標。

在此次成功實現的聚變點火中，實驗所輸入的能量為2.05兆焦耳，并輸出3.15兆焦耳的聚變能量，超過輸入能量的50%。

LLNL的科學家們從1988年起研究慣性約束聚變，歷經數十年探索，終于第一次實現了有意義的能量增益。去年，該實驗曾輸出1.37兆焦耳的聚變能量，約占所用激光能量的70%，是NIF裝置此前最接近“凈能量增益”的時刻。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆(Jennifer M. Granholm)表示，此項突破是一項里程碑式的成就，開啟了一種全新的清潔能源來源。“如果我們能達到一定規模，將為實現零碳排放電力目標作出一項了不起的努力。”她說道。

核聚變被認為是未來潛在的清潔能源。與目前廣泛應用的核裂變相比，核聚變具有不產生核廢料、輻射少、溫室氣體零排放等優勢，更為清潔而高效。

目前全球正在研究的可控核聚變技術路線，主要包括磁約束和激光慣性約束。實現核聚變發電的兩大難點是實現上億度點火和穩定長時間約束控制。

美國NIF走的是慣性約束路線，即用超大功率激光器產生激光束，射向一個含氘氚的氫球形靶丸上使其崩潰，并產生1億攝氏度左右的高溫，從而觸發氫原子聚變，釋放大量能量。

磁約束需要利用裝置，用磁場來約束聚變物質，目前研究的裝置包括托卡馬克、仿星器、反向場箍縮及磁鏡等。

該路線的主攻方向之一是采用是托卡馬克(Tokamak)裝置。這是一種環形容器，用磁場形成一個“磁籠”將等離子體束縛住，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，實現受控核聚變。這種裝置又稱環磁機，名字來源于其的關鍵詞——環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnet)、線圈(kotushka)。

托卡馬克裝置曾被質疑存在安全問題，以及材料問題也是一大挑戰。因為托卡馬克裝置內受到電流的控制，一旦電流或磁場中斷，整個反應堆將會被破壞，影響安全。

激光慣性約束聚變的主要挑戰則是反應如何具有可持續性，確保反應能量的輸出始終大于輸入。

此前，采用托卡馬克裝置的磁約束技術路線，通常被認為主流的核聚變技術路線，是最有可能率先成功的方式。全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實驗堆(ITER)，即采用了托卡馬克裝置。

ITER是全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，同時是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。

2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了國際熱核聚變實驗堆(ITER)項目啟動協定。2008年，中國全面開展ITER計劃工作，承擔了其中約10%的研發制造任務。

中國核能發展實施“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰略，在磁約束和慣性約束聚變上均有研究。目前，中國磁約束核聚變技術的研究上已處于世界前列。

中國對核聚變能研究開始于1960年代初，主要依托的單位為隸屬中國核工業集團公司的西南物理研究院(SWIP)和隸屬于中國科學院的合肥物質科學研究院等離子體物理研究所等。

2006年，中國自行設計、研制的世界上第一個全超導托卡馬克EAST(原名HT--7U)核聚變實驗裝置成功完成首次工程調試，并于2007年3月通過國家驗收，之后實現多次放電。這個裝置規模上大大小于ITER，但是位形卻與之相似，由中科院合肥物質科學研究院研發。

今年5月28日，EAST創造新的世界紀錄，成功實現可重復的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行。這將此前創造的1億攝氏度20秒原紀錄延長了5倍。

今年10月20日，中核集團發布消息稱，中國新一代“人造太陽”(HL-2M)等離子體電流突破100萬安培(1兆安)，創造了中國可控核聚變裝置運行新紀錄，標志著中國核聚變研發距離聚變點火邁進了重要一步，躋身國際第一方陣。

HL-2M即中國環流器二號M裝置，為目前中國最大、參數最高的托卡馬克裝置，被稱為中國新一代核聚變實驗裝置。

目前，國內也有一些民企在探索可商業化聚變能源技術。今年2月，成立于2021年的能量奇點宣布完成近4億元人民幣的首輪融資，米哈游和蔚來資本領投，紅杉中國種子基金和藍馳創投跟投。

該公司計劃，融資主要用于研發和建設基于全高溫超導材料的小型托卡馬克實驗裝置，以及研發可用于下一代高性能聚變裝置的先進磁體系統。

今年6月，陜西星環聚能科技有限公司(下稱星環聚能)正式對外宣布，完成數億元天使輪融資，用于可控聚變能開發。順為資本、中科創星、昆侖資本等十多家機構參與投資。

星環聚能成立于2021年。獲得本輪融資后，該公司將在陜西省西咸新區建設球形托卡馬克聚變裝置。

無論是哪條技術路線，從實驗成功走向未來的核聚變商業化，都預計仍需要很長時間。

LLNL主任基姆·布迪爾(Kim Budil)表示，實現核聚變商業化可能需要數十年，核聚變技術還需克服諸多障礙，包括實現每分鐘完成多次聚變點火，并擁有穩健的驅動程序系統等。

美國有線電視新聞網(CNN)的報道指出，當前實現的“凈能量增益”規模，遠小于實現電網供電和建筑物供暖所需的規模。因此，科學家們將在下一步探索如何實現更大規模的核聚變能量，以及最終如何降低核聚變成本以供商業化。

基姆·布迪爾對此持有信心，“核聚變正在走向前臺。通過共同努力和投資，對基礎技術幾十年的研究或許可以使我們有能力建造一座(核聚變)發電廠。”

（文章來源：界面新聞）

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