核聚变反应让未来地球将拥有无限能源

        8月14日消息，2022年12月5日，一个不可思议的里程碑实现了：核聚变反应首次实现了所谓的“能量净增益”，这意味着核聚变反应释放的能量超过了输入反应的(有用的)能量。这并不是由磁约束聚变反应堆实现的，而全球各国投入的大多数聚变经费都投入到了磁约束聚变反应堆。它也不是由数百个致力于将商业聚变带给公众的私人实验室中的任何一个实现的，而是由一个基本上被遗忘的实验室实现的：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置。

2023年7月30日，国家点火设施再次做到了这一点，而且是以一种更优越的方式：重复他们的结果，并实现了比去年12月更高的能量产出。尽管美国政府向核聚变研究投入的资金微不足道，但所有这些都是在这种情况下取得的：所有努力加起来平均每年只有5亿美元。有了最近的证实，发展广泛的核聚变作为清洁、碳中性能源经济的支柱的道路比以往任何时候都更加清晰。但是为了真正实现它，我们不仅需要勇敢和大胆，还需要专注，因为分心和陷阱可能会真正让我们偏离最终目标。

终极目标

我们不要拐弯抹角：最终目标是通过核聚变过程创造几乎无限的能源，让人类过渡到清洁能源经济。这将是一个没有以下问题的经济：

--化石燃料的污染效应；

--开采和提炼稀有原材料的需求；

--核电站熔化或爆炸的风险，

--以及当前绿色能源如风能、水电或太阳能产生的变化无常、不稳定的供应。

我们都非常清楚能源生产的污染效应，以及二氧化碳水平上升对全球气温、水资源、海洋酸化和世界许多其他生态方面的影响。我们也敏锐地意识到，为了给地球上80多亿、并且还在增加的人口的现代生活提供动力，我们需要一种安全、可靠、但极其高效的能源。

在这样的背景下，锁定在太阳内部的能量，在高密度和极端温度下，轻元素融合成重元素，可能是满足我们发电需求的理想解决方案。这就是核聚变的前景。

但是想要达到这个目标，仅仅产生这些核聚变反应是不够的：我们已经有能力做了70多年了。由爱德华·泰勒（Edward Teller）策划的氢弹是地球上核聚变的一个壮观例子。然而，这种能量不容易转化为可用的电能，因为它的量级太高，太多的“突然”现象，难以利用。

相反，我们需要以可控、可重复的方式产生核聚变反应。这种聚变能量必须是小量级，要么连续，要么爆发，产生的能力可以用来烧水、转动涡轮机或做机械功，然后这些能量可以被提取并转化为可用的电能，就像传统的发电厂一样。

当然，工程和效率方面的问题岁随之出现。例如：

--我们如何最大化净能量增益。

--我们怎样才能最小化引发聚变反应所需的能量。

--我们如何按需生产所需的能源。

--我们如何将核聚变产生的能量长距离传输。

--我们如何成功地维护用于产生这些反应的设备。

--我们如何成功地吸收聚变过程中释放的中子，并防止这些反应产生的放射性物质污染环境？

为了达到这个目标，我们首先需要越过盈亏平衡点：在这个点上，聚变反应产生的能量超过了引发这些反应所需的能量。

目前的成就

当国家点火设施在2022年12月首次宣布核聚变反应首次实现能量净增益时，这是一件大事；他们在2023年7月底再次做到这一点时（证明可再现性），也是一件大事。他们已经证明，能够实现聚变反应的盈亏平衡点。他们已经实现了净能量增益，如果看一下产生聚变反应的能量，并将其与随后反应中通过聚变产生的能量进行比较，就会明白他们确实做到了这一点。

要明确的是，科学家们谈论的核聚变反应“盈亏平衡点”，与大多数人和大多数企业谈论的“盈亏平衡点”有着明显的区别。区别如下：

第一：当科学家谈论“盈亏平衡点”（或在这种情况下的“净能量增益”）时，他们谈论的是进入这一特定反应步骤的能量与从中产生的能量。它们不包括建立系统的准备步骤中使用的能量，也不包括提取这些能量并将其转化为下游可用的某种能量所必需的任何步骤。

第二：另一方面，我们中的大多数人，当谈论在能源（或其他方面）“收支平衡”时，我们只关心整体的、从头到尾的总数：我们投入了多少，总的来说，我们得到了多少有用的东西。

如果我们坚持第二个定义，正如一些人坚持的那样，那么我们离盈亏平衡的目标还有很长的路要走。在我们拥有一个商业上可行的核聚变发电厂之前，所有的“工程和效率”问题都必须得到解决和克服。

但是我们不能低估国家点火装置所取得的成就的重要性。2022年12月，国家点火装置从各个方向发射了192束激光，照射到一个充满轻元素的小球壁上：这些元素和同位素在太阳中无处不在。击中目标的激光能量总量以焦耳为单位，为2.05兆焦耳。在随后的聚变反应中，释放的能量不止这个数：达到3.15兆焦耳。这是从反应中获得的净能量，并且改善了发射激光的数量；入射能量的总量；以及激光照射在颗粒上的几何形状。

虽然进行这项实验的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室尚未公布最终数据和细节，但他们已经证实，2023年7月的测试比2022年12月的测试获得了更大的净能量增益。我们现在处于后盈亏平衡时代，对于反应的最重要部分，即聚变反应产生的部分,“输出的能量”大于“输入的能量”。

其他方法：科学和炒作的结合

国家点火装置使用的方法是将一个小球加热到极高的温度，在这个炎热的富含氢气的体积内引发聚变反应，这种方法被称为惯性约束聚变（inertial confinement fusion）。这就像一次非常非常小的爆炸，周围物质的质量（即颗粒外层的惯性）限制了聚变反应，使其能够持续足够长的时间，以实现净能量增益。

然而，这不是唯一有效的方法。还有磁约束聚变，其中加热的等离子体被限制在一个称为托卡马克（Tokamak）的环形装置中，磁场用于保持等离子体被限制。在这些温度和密度下，核聚变反应会发生，但保持等离子体受到限制--防止它撞击内壁或外壁，并使它保持在聚变反应可以持续发生的状态--是最具挑战性的方面。世界各地都有小规模的独立运行的托卡马克，而建造这样一个聚变反应堆的最大的国际努力--国际热核聚变实验堆（ITER），已经在期待有趣的结果。目前，英国的欧洲联合托卡马克反应堆在2021年12月，在5秒钟内产生了59兆焦耳的持续能量，但在国际热核聚变实验堆投入运行之前，没有人预计磁约束聚变会超过盈亏平衡。

目前也有“混合”方法，试图利用惯性约束方法（如压缩）和磁约束方法（如使用磁场和等离子体）来实现聚变，均取得了不同程度的成功，但都无法达到各种托卡马克和国家点火装置所取得的成就。

从物理学的角度来看，这些混合方法中的许多都很有趣，并有许多真正的物理学家参与其中，但江湖骗子在这个领域也无处不在，包括所有与所谓的“冷聚变”或其试图更名为低能核反应（LENR）有关的努力，因为迄今为止这些尝试都失败了。(μ子催化核聚变融合除外，它不是商业化融合的可行途径。)

任何聚变努力成功的关键是，实现净能量增益的聚变反应的长期生产。虽然许多私有公司提出了许多疯狂的要求，但只有托卡马克式方法和国家点火装置才有希望在可预见的未来达到并超过这一吹嘘的盈亏平衡点。

聚变研究投资不足的问题

核聚变最令人困惑的一个方面很简单，如果气候变化代价如此之高，而我们现在已经通过了核聚变的盈亏平衡点（商业可行性的主要物理障碍），那么我们为什么不投入大量的资金来实现核聚变呢？

根据公开数据，美国政府自1954年以来一直通过美国能源部资助核聚变研究。用这段时间的通货膨胀调整数据（换算成现代美元），美国在核聚变研究上的累计投资总额为340亿美元：包括对国际热核聚变实验堆的贡献。相比之下，据估计，美国去年因气候变化相关的极端天气事件损失了1650亿美元。

考虑一下：2022年，由气候变化引发的极端天气事件给美国造成了1650亿美元的损失。累计起来，从1954年到2021年，在这68年的时间里，美国在核聚变研究上总共投资了340亿美元：平均每年只有5亿美元。

科学家们用如此少的资源完成了如此多的工作，这确实令人惊讶。在美国每年用于自由支配支出的1.7万亿美元中，只有5亿美元（不到0.03%）用于解决地球能源和气候问题的最清晰途径的科学研究。如果有一个项目，我们应该对它进行投资以获得最大的长期投资回报，那就应该是核聚变。

当然，我们目前在各方面都有许多工作要做。如果国际热核聚变实验堆能够实现磁约束聚变的盈亏平衡，那么商业化聚变的道路就变得清晰了。我们需要在以下领域取得进展：

--等离子体操作的高级模式。

--更好地理解和控制等离子体壁的相互作用。

--测试能承受托卡马克内部条件的材料。

--功率提取方法。

--实现商业可行性。

虽然许多人声称惯性约束聚变相关的工程离将其商业化还有很长的路要走，但事实仍然是，国家点火装置所取得的成就--聚变反应的净能量增益--向我们表明，如果我们想要它，至少有一条现成的路径可以清楚地将我们带到商业聚变反应堆。

成功的路径

如果我们想要，使用国家点火装置制造可行的聚变反应堆的方法如下：

--我们需要准备一种方法来有效地在聚变小球上产生入射能量，可重复地从2.05兆焦耳（达到盈亏平衡）一直到5兆焦耳，这是预期的最大能量产出/效率。

--我们需要找到一种方法，从装置中添加新的和移除用过的芯块，并以可重复、快速的方式准备新的样品用于聚变。

--我们需要建立一种机制，能够将这种产生的能量转化为可提取的可用能量，以传输到电网。

--我们需要一种方法来成功地存储和产生能量，以便可以按需分配，因为由于这种类型的聚变的脉冲能量产生性质，“按需创造”可能很难。

--我们需要解决聚变反应中产生的自由中子问题，以防止危险的放射性废物的积累。

当然，这些都不是不可克服的科学问题；这些问题应该在正常的研发过程中得到解决。最重要的一点是：科学已经用可重复的方式证明，在21世纪下半叶将把核聚变技术带入我们的生活。唯一的问题是，在发展这项技术时，我们是否会继续因小失大，或者我们是否会最终拥抱尖端科学，以及它可能给地球带来的所有好处。