可控核聚变，终极能源咫尺天涯

据说，前沿科学领域有则冷笑话，大意是可控核聚变技术永远都还有50年方能实现。

事实似乎的确如此，早在20世纪50年代第一颗氢弹试验成功后，对可控核聚变的研究就已经开始。

笔者年幼时所接触的科普知识，也将这一技术描写得触手可及，可是，许多年过去了，仍然没能成真。

近日，美国能源部宣布其下属劳伦斯利弗莫尔国家实验室成功完成“核聚变点火”，即通过惯性约束核聚变实现净能量增益，这是一项具有里程碑意义的突破。

不过，尽管意义重大，但放眼可控核聚变技术全局，离真正运转，乃至其后的商业化运营，还无比遥远。

▲可控核聚变技术（示意图）

众所周知，研究和开发可控核聚变，正是因为它在理论上是一种极为优质的能源方式。

如今全球发电量占比约10%的核能发电，均基于核裂变技术，需要使用铀作为原料，无论消耗多么彻底，都必定产生放射性核废料，目前主要采取地下深埋处理，后患无穷。

同时，虽然能效超群，可铀矿却是不可再生资源，预计储量仅够再用100年。

核聚变可以完美破解这些问题，其所需的氘、氚可以从海水中提取，每立方千米海水中蕴藏的氘，超过地球上全部石油储量所具备的总能量，以当前人类社会发展速度和地球上的海洋规模看，足够消耗上百亿年，甚至大于太阳的寿命。

核聚变与核裂变相反，是两个较轻的原子在极高的温度和压力下，原子核发生聚合，期间释放大量能量，并不会残留任何放射性物质。

而比起核裂变的链式反应，可控核聚变条件更苛刻，极小的变量偏差将中止聚变过程，因此十分安全。当然，这里强调可控，不可控核聚变的代表是残暴的氢弹。

▲中国全超导托卡马克装置（EAST）

不难看出，核聚变桀骜不驯。不同于它的对立面核裂变，核聚变喜欢走极端，要么一言不发，要么惊天动地。

核裂变纵然危险，但控制方法并不太难，比如用镉棒吸收中子减缓或中止反应，与之相比，核聚变很难用简单的方法来控制。

仅是维持核聚变过程，就需要上亿摄氏度的高温，当下没有材料可以承受。若要把强度约束得恰到好处，必定更加困难了。

根据目前的研究，可控核聚变主要有三种实现方法，分别是重力约束、惯性约束、磁力约束。

太阳是重力约束核聚变的典型代表，以庞大的体积达到高温高压，原理上很简单，技术上不现实。由于太阳是天然核聚变的典型，可控核聚变也被誉为“人造太阳”。

惯性约束核聚变基于粒子的惯性作用，通俗地讲，就是用激光轰击核燃料，形成高温高压的等离子体，与此同时还会带来大量反冲力，粒子来不及逃脱，只能在惯性作用下向心爆聚。

磁力约束核聚变以著名的托卡马克装置为代表，这一装置形似甜甜圈，也犹如粒子加速器，高温高压的核聚变过程在磁力作用下悬空，在磁力影响下发生受控的核反应。

▲“核聚变点火”首次实现净能量增益

近日新闻中的“核聚变点火”属于惯性约束核聚变，只是可控核聚变的一种路径，但人们普遍认为，磁力约束核聚变积累的经验更多，可行性较大，也距实现更近。

目前世界最大的托卡马克装置是欧洲联合环（JET），在其建成后不久的1985年，苏联倡议全球协作建设一个更大的托卡马克装置，即后来的国际热核聚变实验反应堆（ITER），30余个国家参与其中，预计2026年建成。

同时，包括中国在内的各大国也在分别开展独立研究。美国在惯性约束核聚变技术方面走在前列，有出于军事方面的考量，亦是多管齐下进行科学探索的尝试。

无论哪种方式，投入产出比才是关键。以当前的技术，人们基本能够维持可控核聚变，但消耗大量能量，产出却十分稀少。

这次所实现的净能量增益，即增益Q值大于1，意指投入产出比达到了正值，为使可控核聚变成为能源提供了基础支撑。不过，数据是相对的，投入的能量以激光为准，但制造激光也需要消耗大量能源，在总体上似乎还差强人意。

如今的技术突破只是尚处于初期的一小步，其后还有千千万万的难题。有人说，就像点燃火柴与制成发动机之间的距离。

ITER作为实验堆，还需几年时间才能投入运行，真正能够发电的可控核聚变反应堆则需更久。预计十余年后，可控核聚变电站才能商业化运行，200年后，人类才能完全掌握可控核聚变技术。

展望未来，可控核聚变看似近在眼前，实则还有很长的路要走。但付出是值得的，这种几乎取之不尽、用之不竭的“终极能源”，或许将让能源成为最便宜的商品，实现“能源自由”，继而以十分经济的方式打开星际之门，催化人类文明的跃升。

（文内图片来自网络）