聚变点火成为现实； 劳伦斯实验室实现能源收支平衡

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的科学家们实现了聚变点火和能量收支平衡。2022年12月5日^，该研究团队利用激光进行了受控聚变实验。实验中，192束激光将超过200万焦耳的紫外能量输送到低温靶室中的一个微小燃料丸，并实现了能量收支平衡，这意味着聚变实验产生的能量超过了驱动它所需的激光能量。经过数十年的艰苦努力，这一突破在历史上尚属首次。这是科学发展史上的一个里程碑，对于未来清洁聚变能源的前景具有重要意义，有助于实现净零碳经济、应对气候变化以及在不进行核试验的情况下维持核威慑以保障国家安全。此前，在2021年8月8日^，该研究团队已接近聚变点火的临界点。该实验产生的能量超过了以往任何一次聚变实验，但并未实现能量收支平衡。 2022 年 12 月 5^日进行的最新实验实现了能量收支平衡，从而证明了可控核聚变可以用来满足能源需求，尽管实际的商业聚变能源应用可能还很遥远。

^{根据爱因斯坦质能对称方程 E= mc² ，}核反应会产生与质量损失相当的大量能量。目前，核反应堆利用核燃料（例如铀-235等放射性元素）原子核裂变反应来发电。然而，核裂变反应堆存在着极高的人类和环境风险，切尔诺贝利事故便是明证。此外，核裂变反应堆还会产生半衰期极长、难以处理的危险放射性废物。

在自然界中，像太阳这样的恒星，能量产生机制是氢核聚变，即较小的氢原子核合并。与核裂变不同，核聚变需要极高的温度和压力才能使原子核合并。太阳核心满足了这种极高的温度和压力要求，氢原子核聚变是其能量产生的关键机制。然而，迄今为止，在地球上的可控实验室条件下重现这些极端条件仍然是不可能的，因此，核聚变反应堆尚未成为现实。（氢武器的原理是利用裂变装置触发产生的极端温度和压力下不受控制的热核聚变。）

早在 1926 年，亚瑟·爱丁顿 (Arthur Eddington) 就首先提出，恒星从氢聚变成氦中吸取能量。 核聚变的第一次直接演示是在 1934 年的实验室中，当时卢瑟福展示了氘融合成氦，并观察到在此过程中“产生了巨大的影响”。 鉴于其提供无限清洁能源的巨大潜力，世界各地的科学家和工程师齐心协力在地球上复制核聚变，但这一直是一项艰巨的任务。

在极高的温度下，电子会从原子核中分离出来，原子变成由带正电的原子核和带负电的电子组成的电离气体，我们称之为等离子体，其密度比空气低百万分之一。这使得聚变环境非常脆弱。要在这种环境下发生核聚变（并产生可观的能量），必须满足三个条件：极高的温度（足以引发高能碰撞）、足够的等离子体密度（以增加碰撞概率）以及等离子体（具有膨胀的倾向）被约束足够长的时间以促成聚变。因此，开发用于约束和控制高温等离子体的基础设施和技术是关键所在。强磁场可用于控制等离子体，例如国际热核聚变实验堆（ITER）的托卡马克装置。另一种方法是惯性约束等离子体，即利用高能激光束使装满重氢同位素的容器发生内爆。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的 NIF 装置开展的聚变研究采用了激光驱动内爆技术（惯性约束聚变）。简而言之，装满氘和氚的毫米级小胶囊在高功率激光的照射下发生内爆，产生 X 射线。小胶囊被加热并转化为等离子体。等离子体向内加速，在极高的压力和温度下，小胶囊内的燃料（氘和氚原子）发生聚变，释放能量和包括 α 粒子在内的多种粒子。释放出的粒子与周围的等离子体相互作用，进一步加热等离子体，引发更多的聚变反应，释放更多的能量和粒子，从而形成一个自持的聚变反应链（称为“聚变点火”）。

几十年来，聚变研究界一直致力于实现“聚变点火”，即一种能够自我维持的聚变反应。2021年8月8日^，劳伦斯国家实验室团队距离“聚变点火”仅一步之遥，并于2022年12月5日成功实现^。这一天，地球上的受控聚变点火成为现实——这是科学史上一个里程碑式的成就！

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