三分钟读懂核聚变
12月5日，美国能源部宣布，在加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）所设立的国家点火装置（NIF）中，首次实现了可控核聚变的“净能量增益”，一石激起千层浪，引起了全球科学界、媒体和大众的广泛关注。到底什么是核聚变？“净能量增益”意味着什么？人类真的从此进入了“无限能源”的阶段了吗？
下面我尝试用“三分钟读懂”的风格，以问答的形式，给大家介绍这方面的基础知识。
首先，到底什么是核聚变？
爱因斯坦在狭义相对论中，提出了质能方程E=mc^2，其中E表示能量，m表示质量，c表示光速，即质量和能量之间可以通过这种方式相互转化。由此基础上，人们得出了核能的原理，即通过质量的损失，来获得能量。
核能可以通过以下两种方式获得：
1、一种是核裂变，即把一个重元素裂变为两个轻元素。简单计算可知，一克铀235的裂变，可以产生810亿焦耳的能量。这就是原子弹和核电站的工作原理。
2、另外一种是核聚变，就是从两个轻元素聚变成一个重元素。最为常见的是氘（Deuterium）和氚（Tritium）聚变，形成成氦，如下图所示（即3H+2H→4He+n+17.6MeV）：
其中氘和氚都是氢的同位素，氘可以从海水制备。氚则一般从核反应制得，用中子轰击锂可产生氚。
核聚变损失的质量比核裂变大，所以释放的能量更大。事实上，核聚变反应是宇宙中的普遍现象，它是恒星（例如太阳）的能量来源。核聚变也是能源发展的前沿方向，被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量，就能摆脱目前地球的能源与环境危机困扰。
“终极能源”听起来太诱人了，那要通过核聚变获得能源，主要难点是什么？
核能虽然原理清晰，但是实现起来，关键在于“可控”两个字，所以我们经常看到的报道，都会加上这个名词。原子弹（核裂变）和氢弹（先核裂变再核聚变）是已经实现的用途，但是我们显然不可能每次通过炸弹去产生能源。
对于核裂变而言，也就是核电站，人类基本基本做到了可控（注意“基本”这个词，2011年的福岛核电站因为海啸产生泄漏的场面还历历在目），但是它的主要问题是：
1、需要的铀和钚等重元素在自然界非常稀缺；
2、这些元素的半衰期长达数万年，导致核废料无法妥善处理。
相比之下，核聚变有两个显著的优点：
1、需要的原料可以通过海水和核反应获得，相对容易得多；
2、氘和氚的半衰期只有几十年，所以不会导致长期的核废料问题。
不过，核聚变的触发条件要求非常高，需要极高的压力或者上亿度的温度才能实现，因此主要发生在太阳这样的恒星。
这就是实现核聚变的最大难点，在不使用氢弹这样的触发条件的前提下，如何实现可控的核聚变条件？
目前主要有两种方法：
一种是磁约束法，就是将核原料约束在一个强磁空间内，不接触任何物体，然后通过电磁加热，在等离子体条件下达到聚变条件，如下图所示：
另一种是惯性约束法，就是在极短的时间让极强的激光轰击核原料，让核原料的瞬时压强或者温度达到聚变条件，这就是此次美国NIF团队所采取的方法，如下图所示：
那么美国能源部这次发布的新闻，到底意味着什么？
北京时间12月13日，美国能源部宣布，下属的劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）国家点火设施（NIF）的一个团队，采用上面所提到的“惯性约束法”，首次成功在可控核聚变反应中“点火”。
12月5日，研究人员将 192 束巨型激光射入一个橡皮擦大小的圆柱体（如下图所示），强烈的能量将容器加热到超过 300 万摄氏度，容器内装有胡椒粒大小的燃料颗粒：氘和氚。氘和氚在非常高的压力和温度下迅速聚在一起，产生了核聚变反应。在持续不到十亿分之一秒的微小火焰中，激光输入了2.05兆焦耳能量，聚变的原子核释放出 3.15 兆焦耳的能量（相当于100克TNT炸药的爆炸威力），即能量增益达到153%，这就是所谓的“净能量增益”。
美国能源部长詹妮弗格兰霍姆（Jennifer Granholm）将这一突破形容为“21世纪最令人印象深刻的科学壮举之一”。她在发布会上表示，核聚变的商业化，可能会在未来几十年内实现。到了那一天，人类可以使用几乎无碳的电力，这对于地球的生态环境意义重大。
这次实验的最主要意义，就是实现了输出能量大于输入能量（即上面提到的153%），也就使得可控的核聚变变为了可能。某种意义上，这次对可控核聚变的可行性进行了一定的验证，之后要解决的就是工程学问题了，例如如何增加输出能量的规模，如何降低输入能量和激光撞击环境的要求，等等。
我国目前在这个领域有哪些成果？
2020年，“世界上最大的核聚变项目”ITER（国际热核聚变实验反应堆）在法国开始组装。它采用的上文中提出的第一种方法”磁约束法“，即将核原料约束在一个强磁空间内，不接触任何物体，然后通过电磁加热来达到聚变条件。
ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克（如下图所示），俗称“人造太阳”。中国科学家积极参与了国际热核聚变实验堆（ITER）相关工作。
同时，中国也在不断探索自主可控的核聚变技术。2017年12月，中国聚变工程实验堆（CFETR）在安徽合肥正式启动工程设计。CFETR计划分三步走：第一阶段到2021年，CFETR开始立项建设；第二阶段到2035年，计划建成聚变工程实验堆，开始大规模科学实验；第三阶段到2050年，聚变工程实验堆实验成功，建设聚变商业示范堆，完成人类终极能源。
2021年5月，中科院建造的东方超环（EAST）在核聚变研究上取得进展，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。EAST实验的意义主要在于研究如何长时间稳定地约束等离子体，以便为我国参与的ITER项目及CFETR提供实验支持。
在技术行业，我们经常说，我们很容易高估一个技术的短期效益，而低估它的长期影响。那么，核聚变技术在短期和长期，具有什么样的前景呢？
美国此次取得的技术突破，跟真正意义上的商业化还距离很远，在短期内还难以对全球能源行业产生显著的影响：
1、这次实验实现的能量增益，距离达到“电厂”的水平，还差上百倍。实验虽然获得了1.53倍的增益，但是这只考虑了激光的输入功率，而为了产生这些激光，还需要从电网中提取 300 兆焦耳的能量。这意味着 NIF 实验的效率需要提高一百倍才能完全收回成本。LLNL武器物理和设计项目主任马克·赫尔曼（Mark Herrmann）在接受《纽约时报》采访时也指出，可能需要增益30—100倍才能让聚变能发电厂成为可能。
2、“可重复”是聚变能商业化的另一难点。美国另一国家实验室的主任米奇·韦德（Mickey Wade）指出，现在的激光器需要几个小时才能冷却，这使得激光轰击发电厂的设想完全不可能。他认为，未来的“惯性安全壳”反应堆需要像汽车发动机一样工作，每秒产生几次小型爆炸。根据韦德的看法，接下来聚变能商业化要做的是延长这些反应的时间，至少维持在数十秒甚至数百秒。
但是从长期而言，这是世界上首次激光核聚变点火，是一个里程碑式的工作。一旦在未来几十年中，核聚变技术实现商业化落地的潜力，那么会给整个社会的能源使用带来巨大的变化：
1、能源产生、加工和使用成本大幅度降低，为人类社会的发展提供源源不断的动力；
2、因为能源生成过程无需产生二氧化碳，“碳达峰碳中和”问题可以迎刃而解，很大程度上解决人类的可持续发展问题。
科技创新的星辰大海，充满魅力和惊喜，当然也有着崎岖和坎坷，让我们拭目以待！
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