2022 年 12 月 13 日，美国能源部宣布，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置 (NIF) 的科学家们在追求聚变能源方面取得了重大突破。NIF 的一个团队进行了首次受控聚变实验，该实验中聚变产生的能量超过了驱动它所用的激光能量，这种情况被称为“点火”。
该团队将 2.05 兆焦耳的激光聚焦到一个胡椒粒大小的燃料上。这引发了一场产生 3.15 兆焦耳能量的爆炸。这是一个微小的能量增益，但却是该领域的一大步。
（图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室）2022 年 12 月 5 日，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置上用于实现点火的低温靶丸所在的“黑腔”。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆在宣布这一成就的新闻发布会上说：“这证明了它是可以实现的。”格兰霍姆补充说，跨过了这个门槛，科学家们现在可以开始研究更高效的激光、更好的约束装置以及将这项技术推向商业规模所需的其他细节。
（图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室）为了实现聚变点火，国家点火装置的激光能量在“黑腔”内部被转换成X射线，然后压缩燃料靶丸直至其内爆，产生高温高压的等离子体。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室
拜登总统表示，他希望在十年内看到商业聚变反应堆。实现这一目标仍然是一个挑战，但今天的公告使其看起来比以往任何时候都更加现实。
在我们庆祝这些成果并等待更多好消息的同时，这里有十件您需要了解的关于核聚变的事情。
1. 核聚变可能吗？
关于聚变能源进展的新闻报道时断时续，且常常被夸大，导致一些人完全不相信聚变能源的潜力。然而，科学家们一直在稳步朝着通常被称为能源“圣杯”的目标前进。正如今天的公告所示，他们正越来越接近那个目标。虽然还有一些非常现实的障碍需要克服，但聚变能源不是科幻小说，也不是未来主义者的幻想。它是一项真实的技术，而且正如我们今天所了解的，它是可以实现的。
2. 什么是核聚变？
核聚变是两个较小的原子核合并形成一个较大原子核的过程，该过程会释放大量能量。这个过程在一种被称为等离子体的状态下发生，其特点是高温，有助于克服原子核之间的排斥力。为太阳和其他恒星提供能量的聚变反应，需要极端的温度和压力条件，才能使原子核碰撞并结合。
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3. 谁发现了核聚变？
核聚变的发现是随着时间的推移逐渐发生的，并非一蹴而就。它在 20 世纪 20 年代开始形成雏形，当时亚瑟·爱丁顿提出恒星将氢聚变成氦，影响了未来的天体物理学。像阿特金森和霍特曼斯这样的科学家进一步探索了恒星的聚变速率，而欧内斯特·卢瑟福和他的学生马克·奥利芬特于 1934 年在实验室中演示了聚变。汉斯·贝特后来解释了恒星中的这一过程，为 20 世纪 50 年代聚变反应堆的发展铺平了道路。
4. 核聚变发生在太阳的哪个部位？
核聚变发生在太阳的核心。在那里，被称为质子的微小粒子聚集在一起形成氦，这个过程产生了太阳的热量和光。几乎所有太阳的能量都来自其核心发生的这种聚变，然后这些能量扩散到整个太阳系。
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5. 核聚变安全吗？
与为当今核电站提供动力的核裂变过程不同，聚变能源不存在失控链式反应和熔毁的风险，例如 1986 年切尔诺贝利的灾难。聚变产生的放射性和有害废物也少得多，并且不产生温室气体。聚变的主要副产品是氦——一种惰性、无毒的气体。
6. 核聚变是如何工作的？
聚变能源的科学原理虽然远非简单，但已被充分理解。使聚变能源如此难以捉摸的是工程设计上的困难，即制造一个能够产生聚变能源的设备。建造一个聚变反应堆就像在地球上创造并约束一个微型恒星。为了达到能够产生聚变能量的条件，科学家们会产生极热的等离子体——即电离气体。在这些温度下，通常会相互排斥的离子会相互碰撞并融合。当这种情况发生时，能量就会被释放。科学家们通过激光或磁场来控制这种极度炽热的等离子体。这是一项复杂而庞大的工程壮举。
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7. 核能有什么好处？
来自核聚变的能源将是安全、清洁、无碳且几乎无限的。很难夸大这将对地球上生活的方方面面产生多大的影响。如果每个人似乎都对这些进展感到非常兴奋，这就是原因。
8. 核裂变和核聚变有什么区别？
核裂变和核聚变的区别在于，核裂变是将重原子分裂成较小的原子，而核聚变是将轻原子结合形成较重的原子。这两个过程都会释放能量，因为新形成的原子核比原始原子核的总质量要轻。
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9. 核聚变会产生放射性废物吗？
与核裂变不同，核聚变不会产生危险、长寿命的放射性废物。它产生的是无害的氦气，以及少量具有轻微放射性但在小剂量下安全且持续时间不长的氚。唯一的担忧是，由于大量中子在周围活动，聚变反应堆的部件会随着时间的推移变得有点放射性，但科学家们正在研究如何减轻这个问题。
10. 核聚变何时才能实现商业化？
这确实是巨大的一步，但我们还没到终点。要实现商业化，一个聚变发电厂必须在十分之一秒内产生 NIF 一天所产生的能量。这些最新的结果告诉我们的是，这是可以做到的。在时间、金钱和专业知识上的投资可以获得巨大的回报。
“美国国家科学院去年表示，我们的目标应该是在 2035 年至 2040 年间实现首次聚变发电。我认为这很困难，但这是一个值得追求的目标，”普林斯顿等离子体物理实验室主任史蒂文·考利说。
虽然这不会在明天发生，但一个由安全、清洁的聚变能源驱动的未来，今天看起来比昨天近得多了。
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本文最初发表于 2022 年 12 月 13 日，后由 Discover 团队更新。
