最新消息，美国实验室首次利用激光束、钻石和黄金实现三次重复点火。

迄今为止，美国的研究人员已经四次产生了短暂的聚变能爆发，这是使这种零碳能源成为现实的令人鼓舞的迹象。

劳伦斯·利弗莫尔国家点火装置的技术人员正在调整前置放大器支撑结构内的光学器件。达米安·杰米森/劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

科学家们首次成功地进行核聚变的重复性点火，这成为大规模实现近乎无限的清洁能源的又一个重要里程碑。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的一个团队，在去12 月实现了聚变点火，首次从聚变反应中产生净能量增益。

这一壮举被物理学家誉为“历史时刻”。现在，劳伦斯国家实验室的科学家们又将这一实验重复了三次。

该实验室使用国家点火设施 (NIF) 向悬浮在金圆筒中的金刚石胶囊内的冷冻同位素颗粒发射192束激光束。

由此产生的反应，复制了与太阳内部相同的自然过程，并导致能量增加了89% 的创纪录水平。据科学杂志《自然》报道，这仅够烧开水壶的能量，但扩大这一概念验证，可能预示着能源的“新时代” 。

“我感觉很好，”劳伦斯国家实验室惯性约束聚变科学项目负责人理查德·唐恩 (Richard Town) 告诉该杂志，“我认为我们都应该为这一成就感到自豪。”

在本月早些时候，核聚变被列入联合国气候变化会议（COP28）的议程，各国政府同意加快开发该技术的努力。

“我们正在越来越接近聚变驱动的现实。与此同时，这存在重大的科学和工程挑战，”美国气候特使约翰·克里在迪拜峰会上表示，“仔细的思考和深思熟虑的政策对于解决这个问题至关重要。”

据聚变工业协会称，中国、日本、俄罗斯和欧盟也在核聚变研究方面投入巨资，迄今为止投资额已超过60亿美元。

美国科技巨头微软是投资该技术的公司之一，该公司于今年早些时候宣布了全球首份购买协议。

但这些实验对于科学以及为我们的家庭和汽车提供动力而不释放任何二氧化碳的新能源的梦想，究竟意味着什么呢？

简而言之，为NIF的成就喝彩是可以的，但这并不意味着绿色能源革命即将来临。聚变发电的进展，还需要数年时间才能取得成果——可能需要十年左右——而且目前还不清楚聚变发电，是否足够便宜到从根本上改变我们的电网。毫无疑问，今天继续加大对太阳能和风能的投资，对于应对气候变化至关重要。

什么是核聚变？

国家点火设施使用红外和紫外激光在装有胡椒粒大小的聚变燃料芯块的室内产生 X 射线。劳伦斯利弗莫尔国家实验室

当两个较轻的元素（如氢或氦）合并成一个较重的元素时，就会发生聚变。这种核反应释放出大量能量，正如太阳周围最大的聚变炉所展示的那样。

然而，在地球上发生聚变比较困难，因为原子核带正电，因此相互排斥。太阳巨大的质量产生巨大的压力来克服这种排斥力，但在地球上，需要其他力。

将原子挤压在一起并产生聚变的两种常用方法称为惯性和磁约束。惯性约束通常使用激光以强大的能量击中弹丸，引发压缩聚变燃料的爆炸。这就是 NIF 使用的方法。

另一种方法使用磁场。这种现象在试图将聚变能源商业化的公司中更为普遍。

NIF的实验取得了什么成果？

2022 年12月，NIF实验跨越了聚变的关键阈值，聚变反应产生的能量（315 万焦耳）超过了引发反应的激光产生的2.05 兆焦耳能量。然而，由于运行激光器需要更多的能量，因此整个反应的效率非常低。

聚变研究人员用字母Q表示输出能量与输入能量的比率，2022年12月的反应是聚变反应首次超过Q = 1。今年7月20日、10月8日和10月30日，NIF重复了它的成功，在于Q 大于1。10 月30 日的实验，使用了创纪录的激光功率，即 2.2 兆焦耳，这一改进非常困难，因为激光会破坏引导其光的光学设备。

NIF运营负责人Bruno Van Wonterghem 在一份声明中表示：“这一切都是为了控制损害。” “如果没有适当的保护，能量过多，你的光学器件就会被炸成碎片。”

在发电实用之前，聚变反应堆必须达到 Q=10 的阈值。这是每个参与者的目标，包括法国另一个由政府资助的大型项目——国际热核聚变实验堆（ITER）。聚变反应堆必须比NIF 更频繁地达到Q =10。

从某些方面来说，这些都是学术上的里程碑，几十年来聚变实验一直在推动着这些里程碑。但考虑到核聚变因无法实现这一目标而闻名。它是一个重要的证明，证明了一切皆有可能。在你重复那句经常被引用的尖刻言论之前，请仔细思考一下，即聚变是未来的能源，而且永远如此。

NIF实验对绿色电力意味着什么？

一方面，大多数商业聚变能源项目都使用各种形式的磁约束，而不是 NIF 的基于激光的方法，因此工程的挑战难度是不同的。

另一方面，NIF是一个耗资35 亿美元的庞大国家实验室项目，这是一个研究核武器的项目，而不是一个旨在以最具竞争力的成本为电网生产可靠能源的项目。

普林斯顿大学研究员威尔逊·里克斯 (Wilson Ricks)在 X（前身为 Twitter）上发表的一篇文章中表示：“不要指望未来的核聚变工厂会像NIF那样。” NIF的激光器以及将聚变热转化为电能的效率极低，这意味着其设计本质上是不切实际的。相比之下，“磁约束聚变具有一些真正的前景，”里克斯在推特上写道。

降低聚变成本对其成功至关重要，因为它必须与零碳替代品竞争，例如当今的裂变核反应堆，可以产生稳定的电力供应，以及风能和太阳能等更便宜但间歇性的可再生能源。

普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员在10 月份发表的一篇研究论文中总结道：“核聚变的第一个竞争对手是裂变。”该论文评估了核聚变在电网中的前景，该论文尚未经过同行评审。他们预计，如果聚变的高成本能够足够低，它可以取代未来对裂变工厂的需求，如果进一步降低，还可以与太阳能和储能的组合竞争。

如果聚变发电厂可以建造成更便宜、更小的装置，更像是工厂生产出来的东西，那么生产成本应该会降低。这要归功于一种称为赖特定律（经验曲线或学习曲线）的现象，它稳步降低了太阳能和风能的成本。核聚变工厂规模越大、定制化程度越高，成本下降的幅度就越小，核聚变的竞争力就越弱。

NIF 的结果是否有一些不太直接的好处？

该行业的倡导组织——聚变工业协会首席执行官安德鲁·霍兰德(Andrew Holland)表示，科学家们可以通过更新聚变物理模型来从NIF实验中受益，以解释其自身提供热量而不是依赖外部来源的事实。

这种关注也可能有所帮助，特别是考虑到人们长期以来对聚变能的怀疑。

TAE Technologies首席执行官米歇尔·宾德鲍尔 (Michl Binderbauer) 称 NIF 的结果是“迈向聚变时代黎明的巨大踏脚石”，并表示这是聚变能确实可行的重要例证。

投资者也注意到了。Holland 表示，在第一个NIF成果公布后，聚变工业协会年度报告的下载量增加了十倍，该报告详细介绍了对聚变能源初创企业的48 亿美元风险投资。他补充说，许多提出要求的人来自投资公司。

NIF 的聚变如何运作？

NIF 使用192个强大的红外激光器触发核聚变，其总能量水平为4兆焦耳，大约相当于一辆以100 英里/小时的速度行驶的两吨卡车。首先将其转化为2兆焦耳的紫外线，然后转化为X射线，照射到胡椒粒大小的聚变燃料颗粒上。

强烈的X射线导致颗粒外层爆炸性爆炸，压缩颗粒内部并引发融合。聚变产生的热量维持反应，直到燃料耗尽或变得不平衡和动摇。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置有三个足球场那么大。

细胞核？氢？请帮我了解原子物理学

当然！这是一个快速回顾。

地球上的一切都是由微小的原子组成，每个原子都由一个中心核和一团带负电的电子云组成。原子核由中子和带正电的质子组成。原子核中的质子越多，元素就越重。

氢，通常有一个质子和一个电子。一种叫做氘的不寻常品种也有一个中子，使用核反应堆或聚变反应堆，你可以制造出第三种叫做氚的带有两个中子的元素。

当这些正电荷和电荷导致原子相互作用时，就会发生化学反应，例如铁生锈或木材燃烧。相比之下，当原子核分裂或结合在一起时，就会发生核反应。在地球上，调动发生核反应所需的力量更加困难，这就是为什么制造蒸汽机比制造核弹更容易。

当你将原子加热到足够高时，它们就会变得如此充满能量，以至于电子被剥离。由此产生的带负电的电子和带正电的原子核云被称为等离子体，这是一种比我们在地球上室温下习惯的固体、液体和气体更奇特的物质状态。

太阳是由等离子体构成的，聚变反应堆也需要它来让氢核以足够的能量弹跳。等离子体的一个便利特性是它们的带电粒子可以用磁场来操纵。这对于许多聚变反应堆设计至关重要。

聚变燃料用什么？

NIF和大多数其他聚变项目使用两种重质氢：氘和氚，称为DT燃料。但还有其他选择，包括氢硼和氘氦-3，这是一种只有一个中子的氦形式，而不是更常见的两个中子。

为了使氘和氚融合，需要将等离子体加热到约1亿摄氏度（1.8 亿华氏度）的高温。其他反应甚至更高，例如氢硼聚变反应温度约为十亿度。

氘可以从普通水中过滤出来，但氚却很难获得，它会在几年内放射性衰变。它可以在核反应堆中制造，原则上也可以在未来的聚变反应堆中制造。然而，管理氚很复杂，因为它被用来促进核武器爆炸，因此需要受到严格控制。

如何将聚变反应转化为能量？

氘-氚聚变反应产生快速移动的单独中子。它们的动能可以被聚变反应堆室周围的液体“毯子”捕获，并在中子碰撞时升温。

然后热量被转移到沸腾的水中并为传统蒸汽涡轮机提供动力。这项技术已广为人知，但尚未有人将其与聚变反应堆连接起来。事实上，当今正在建造的第一代聚变动力反应堆的设计目的是超过 Q=1，但不是为了捕获能量。这将等待下一波开发浪潮中预计抵达的试点工厂。

聚变工作是由政府还是私营部门资助的？

两个都有。NIF的资金来自美国政府的核武器计划。美国政府资金还资助英国的欧洲联合环和法国的国际热核聚变实验堆，这两个项目都与聚变能发电的目标更加一致。

但越来越多的聚变能源是由私人资助的。根据聚变工业协会2022 年初发布的年度报告，投资者已向聚变能源初创企业总共投入了48 亿美元，其中28亿美元是在去年投入的。其中大部分流向了从麻省理工学院剥离出来的初创企业 Commonwealth Fusion Systems。并在 2021 年的一轮融资中筹集了超过 18亿美元。

政府现在也在帮助私营部门。美国能源部于2022年9月宣布了一项里程碑计划，提供高达5000万美元用于建设聚变能源试点工厂。核聚变的支持者拜登政府在2022年11月表示， 聚变能源是到2030年将碳排放量减半、到2050年实现净零排放的五种关键方法之一。

聚变与裂变有何不同？

为当今核反应堆提供动力的裂变与聚变相反。在裂变中，像铀这样的重元素分裂成较轻的元素，并在此过程中释放能量。

几十年来，人类已经能够利用热核武器实现聚变。这些设计将铀或钚等材料撞击在一起以引发裂变爆炸，并提供引发二次和更强大的聚变反应所需的巨大能量。

在炸弹中，这个过程发生在不到一秒的时间内，但为了产生能量，聚变必须受到控制和持续。

聚变反应堆会产生放射性废物吗？

是的，一般来说，但它并不像裂变反应堆那么麻烦。一方面，大多数放射性发射物都是短命的阿尔法粒子（具有一对质子和一对中子的氦核），很容易被阻挡。快速移动的中子可以与其他材料碰撞并产生其他放射性材料。

聚变反应堆的中子输出通常会降低组件的性能，需要定期更换，这可能需要每隔几年持续几个月的停机时间。不过，它比裂变发电厂的高放核废料更容易处理。

氢硼聚变比氘氚聚变更难实现，但它的部分吸引力在于它不会产生任何中子和伴随的放射性物质。采用这种方法的最著名的公司是 TAE Technologies。

聚变发电存在哪些安全风险？

聚变发电厂不存在导致福岛和切尔诺贝利等裂变反应堆出现问题的熔毁风险。当聚变反应出现问题时，它就会失败。

但在主要工业场所仍然存在重大的运营问题，包括大量电力和高压蒸汽。换句话说，这些大问题更像是在工业现场而不是在当今的裂变核电站中发现的问题。

因此，融合具有真正的优势。NIF 的工作有助于表明聚变能源的未来。但还有很长的路要走。