可控核聚变首次实现“净能量增益”：将改变世界格局，走向星辰大海？

2022年12月13日，美国能源部部长Jennifer Granholm宣布：位于美国加州的国家实验室Lawrence Livermore National Laboratory（LLNL）首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于控制该反应所输入的能量。耗资35亿美元的National Ignition Facility（国家点火装置）在实验中，输入2.05兆焦能量，产生了3.15兆焦的聚变能量输出，产生的能量比投入的多50%以上。这“里程碑式成就”的实现，将帮助人类在未来实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

为何核聚变的“净能量增益”意义如此巨大？我们先大致了解下可控核聚变及其研发状况。核聚变，是指由质量小的原子，主要是氢的同位素氘、氚，在超高温和高压条件下，两个原子核被挤压在一起发生聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦）。在此过程中，新产生元素的原子核失去部分质量而释放出巨大能量，同等质量物资的核聚变所产生的能量比核裂变约高4倍。

与当前的核裂变能源相比，其运行更安全、不产生核废料、核辐射非常少。其一旦商用成功，可向人类提供清洁而又近乎取之不尽用之不竭的能源：地球海洋里的重氢达10万亿吨，每升海水含30毫克氘，其聚变所产生的能量相当于300升汽油。1立方公里海水中的氘所具备的能量相当于13600亿桶原油，接近地球上的石油总储量。

可控核聚变三种方式

目前，人类已掌握不受控核聚变，即氢弹。而在可控核聚变研究方面，已经过漫长近70年，迄今尚未能完全成功，可见其难度之大。

可控核聚变通常有三种方式：1.重力场约束。2.惯性约束。3.磁约束。

重力场约束需要恒星级条件（譬如太阳），人类无法实现。惯性约束技术路径（激光约束），主要是“美国国家点火装置”，中国的“神光计划”，一般被认为路漫漫其修远兮。磁约束技术路径，有托卡马克、仿星器、磁镜、反向场、球形环等技术路径，曾被认为是进展最明显、最有前途的。

耗资46亿欧元的“国际热核聚变实验堆（ITER）”计划，由欧盟、美国、中国、日本、韩国、俄罗斯、印度共同推进，是目前人类最大的超级托卡马克项目。中国的技术攻关也主要集中在托卡马克技术路径。2021年12月30日晚，中国的EAST装置实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行最长时间纪录。2022年10月20日，我国HL-2M（中国环流器二号M装置）托卡马克实现了等离子体电流突破100万安培（1兆安）新纪录。

但这些骄人数据背后的问题是：都无法实现“净能量增益”，即用于控制等离子体运行所需的能量输入，比聚变实验堆所输出的能量大得多。全世界所有核聚变实验堆都是巨大的耗电机，而非发电机，这令全世界核聚变科学家们感到非常头疼。

激光约束技术路径

而谁都没想到，之前不被看好的激光约束技术路径，却在美国LLNL实验室率先实现了“净能量增益”，毫无疑问是可控核聚变领域的里程碑式突破，打开了通向可控核聚变商业化实用的第一扇大门。

但这仅仅是第一扇大门而已，在其之后，超高温等离子体的稳定持续运行、堆壁中子屏蔽先进材料、常温超导体的研发等等难题一个接一个，很多关键科技尚进展殊少。

目前，某些最乐观的专家推测：最早2028年可控核聚变能实验性发电，美国能源部称有信心在10年内实现商业化。有些报道宣传：多国计划在2035年进行可控核聚变商用发电试验，2050年普及。而更多科研人员们则保守得多：可控核聚变实现商业应用，估计还要20-50年时间，更大概率是在21世纪下半页。

改变世界格局，走向星辰大海

即便前途光明、道路崎岖，可控核聚变仍有可能在未来100年内，改变世界格局乃至人类文明的走向，而不仅仅意味着数十亿百姓能使用上清洁能源。

首先，是改变近现代史形成的能源战略格局：从第一次世界大战开始，人类社会的争夺焦点之一是能源。如果可控核聚变实现商业化，那么传统化石能源产区的政治与战略权重将大大降低，而传统上的能源输入区（譬如西欧和东亚）将摆脱看人脸色的局面。这样，世界的国际规则、政治格局、外交关系、军事战略、经济体系……将发生本质性变化与巨大调整。

其次，太空争夺的重点将是月球，因为月球上有丰富的氦同位素——氦3。

氘、氚聚变，是第一代核聚变，其优点是燃料便宜，缺点是仍有中子辐射。氘和氦3聚变，是第二代核聚变，其中子辐射大大降低、安全性大大提高。有专家戏称：第一代核聚变堆要建在远郊，而第二代堆理论上可建在市中心。氦3聚变，是第三代核聚变，完全不产生中子，堪称终极聚变。氦3作为理想的核聚变原料，在地球上非常稀有，但在月壤里却蕴含丰富。这是美国正在推动“Artemis Program（阿尔忒弥斯计划）”重返月球的深层次原因。可控核聚变和月球开发（而非仅仅探险）互为表里，将推动美国未来半个世纪的发展。

再有，可控核聚变是航向深空的必须。

人类进入星际文明时代，第一代动力靠化学能火箭发动机。再发展，就要利用“太阳帆”（光帆）实现低成本、长期、稳定地为航天器持续加速，以实现在“内太阳系”（太阳和小行星带之间的区域）高速航行。

但是，随着航天器距离太阳越来越远，太阳的辐射光能逐渐减弱，譬如：太阳辐射能在地球、月球位置为1.3KW/平方米，到火星位置，就减弱为0.5KW/平方米。如果向木星、土星、天王星、海王星，甚至柯伊伯带等更远的深空航行，光帆的能量就不够了，那时就需要“电推”即等离子发动机。“电推”所需的工质较少较轻，但所需能量非常大，在远离太阳的深空，太阳能发电、同位素衰变核电池都无法提供足够能量，在现代物理学框架内唯一可行的能量源，只有可控核聚变。

2022年底，LLNL首次实现聚变反应的“净能量增益”巨大突破，不仅仅是核物理领域取得的一次突破，也将为未来几个世纪人类科学技术与文明发展，开启一道门。

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美逸君

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