可控核聚变，科幻题材中的老戏骨了。

无论是《三体》还是《流浪地球》，可控核聚变承载着人类冲出宇宙的多重想象，原因就在于它取之不尽、用之不竭，是解决能源问题的终极答案之一。

电影《流浪地球》。新华社图

然而在现实中，人类一直无法完全掌握可控核聚变的技术。

但在12月13日的深夜，一个令科学界振奋的消息传来：美国科学家在可控核聚变中首次实现了净能量增益。

NIF资料图

如果数据得到确认，这就意味着人类朝“人造太阳”的目标，又近了一步。

那么，可控核聚变究竟是什么？各国研究进展如何？人类距离实现商用聚变发电还有多远？一文带你了解——

核聚变

难就难在“可控”

提到核能，很多人对“核裂变”“核聚变”这两个名词并不陌生，但却未必知道它们是什么原理。

简单来说，核裂变是用力把一堆原子掰开反应，而核聚变是用力把一堆原子捏到一起反应，两者都会释放出巨大的能量。

如今核裂变虽可被高效利用，但是它的缺点也很多：所需矿产资源储量有限、放射性污染大、废料难以处理，等等。

日本福岛第一核电站和核污水储水罐。新华社图

因此，科学家们纷纷把目光放在了核聚变上。

相比核裂变，核聚变同样有着较高的能源效率，同时又没有上述的麻烦问题。

核聚变需要重氢，也就是氘和氚。氘在海水中广泛存在，足够人类用上千万亿年，而氚虽然自然界没有，却可以通过锂来制造，锂虽然也不富裕，但是比铀要多。

那么核聚变有辐射污染问题吗？当然没有。核聚变的产物是氦，并没有放射性。

核聚变反应模拟图。新华社图

但实现可控、持续的核聚变“难于上青天”。

目前对可控核聚变的研究分为两类：一是磁约束核聚变，典型实验装置如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置；二是激光核聚变，典型实验装置如中国的神光激光装置和进行本次实验的美国国家点火装置。

科学家们研究的可控核聚变装置，原理类似太阳利用核聚变发光发热的过程，只是约束的方式不同。因此，可控核聚变装置也被称为“人造太阳”。

可以想象，在地球上造出一个“太阳”是何等艰难——不仅要耐得住上亿摄氏度的高温，还要求等离子体密度足够大、在有限空间里被约束足够长时间。

中国“人造太阳”内部。新华社图

尽管可控核聚变装置一直有突破，但科学家从未在可控核聚变反应中取得过产生能源比消耗更少的“净能量增益”，直到劳伦斯·利弗莫尔实验室取得本次历史性进展。

虽然点火只是核聚变的第一步，但这也是非常关键的一步。这一步跨过去了，人类或许也将迈进了一个新的能源时代。

欧美日各有所长

中国后发优势明显

可控核聚变已有70年的历史，世界各国对可控核聚变的研究均投入了大量人力物力，也获得了一系列重要成果。

目前，世界上研究可控核聚变的国家和地区主要有欧洲、美国、日本、俄罗斯和中国，各国的研究侧重和研究进展各不相同。

欧洲在先进托卡马克装置的研究上占得先机。早在1982年，欧洲原子能委员会就在英国的卡拉姆实验室建造了目前世界上已建成的托卡马克装置中尺寸最大的装置之一的“JET”。

2021年12月，来自欧洲的研究团队实现了受控核聚变能量的新纪录：在欧洲联合环反应堆中，将氢的同位素氘和氚加热到了1.5亿摄氏度并稳定保持了5秒钟。

按照与实物1比20的比例建造的核聚变“ITER托卡马克装置”模型。新华社图

除了托卡马克装置外，美国在激光惯性约束可控核聚变上也保持全球领先的地位。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）于2010年正式点火，可实现激光惯性约束可控核聚变，2012年该装置创造峰值功率500万亿瓦的世界纪录。

2022年12月，美国能源部宣布，其下属的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室科研人员实现了“核聚变点火”。

NIF使用的环空器，用于装核聚变燃料。NIF资料图

日本一直致力于发展人类新的能源，在托卡马克装置的研究方面走在世界前列。早在1985年，日本原子能研究所就成功运行了JT-60大型托卡马克装置，该装置曾达到4亿摄氏度中心离子温度。

俄罗斯发展托卡马克历史悠久，但目前研究进展相对缓慢。目前，俄罗斯正大力参与并推进ITER项目，并再次发展国内托卡马克研究。

中国在核聚变方面的研究起步较慢，但目前处于不断加速状态。我国核聚变研究起始于20世纪60年代，1970年开始自主设计实验装置，1984年建成中国换流器一号。1994年我国建成了“合肥超环”，此后进入快速发展阶段。

2021年5月，“东方超环”（世界上第一个非圆截面全超导托卡马克）实现了1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒的等离子体运行，突破了世界纪录。

也就是说，我国现在在可控核聚变的研究上，并不落后。

EAST装置实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行。中科院合肥研究院等离子体所图

从我国在可控核聚变研究领域的不断突破，我们可以看到中国的科技实力的增长，也可以领悟出可控核聚变研究的艰难：现在整个推进还是在以“秒”计算，未来的路还任重道远。

永远50年？

商业化之路任重道远

那么此次可控核聚变的突破，是否意味着清洁、无穷无尽的核聚变发电已经触手可及？

据《纽约时报》报道，这次实验产生的能量只够烧开15-20壶水。

此外，尽管该实验产生的能量比激光器输入的能量高，但与激光器工作所需供能（约300兆焦耳）相比则低得多。

成本太贵，效率太低。

显然，在投入大规模商用之前，这个过程还需要不断重复和完善，而且它产生的能量也必须得到显著提高才行。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室里的工作人员在作业。澎湃新闻图

一旦可控核聚变技术实现商业化，对我们的社会生活又有什么影响？

比如，电的价格会越来越低廉，环境问题得到极大改善。

随着技术的发展，核聚变发电站会大量建起，足以满足人类社会生产生活的用电需求，工业也会因此加速发展。有了更加清洁的能源，化石燃料会被替代，环境将会大大改善。

我国目前在运装机容量最大的核电站，辽宁红沿河核电站。新华社图

比如，火箭成为交通工具，打开星际文明探索道路。

要知道，如果是传统意义上的火箭，它直接消耗的是化石能源，这也就意味着飞船的载重将会大大增加。而核聚变产生的能量可以极大提高火箭的航程、运载量，遨游宇宙或成现实。

此前，在科学圈有个段子，人类离用上核聚变发的电永远要等50年。

但随着科学技术的进步，或许人类离这个目标不会再用50年了。李建刚院士曾说：“可控聚变是人类共同的梦想，拥有非常重要的意义。未来，我们希望能用20年时间，实现可控聚变工程化和商业化的进程。”

观众参观“三体·时空沉浸展”。 新华社图

虽然，现在的我们需要数十亿美元，才能煮沸15-20个水壶里的水。

虽然，核聚变要真正应用于发电站，或许还需要数十年的研究和突破。

但就目前而言，人类已经迈出了重要的一步。

对于未来，我们也应抱有更多的想象力。

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部分内容来源：人民网、新华社、央视新闻、观察者网、解放军报

【整合】施心怡