喜欢刘慈欣《三体》的读者都记得这样一个情节：人类在22世纪终于实现了可控核聚变，并将其应用在太空飞船上。人类因此达到了光速的15%，从而有机会在和三体人最终决战到来之前逃离太阳系。 可控核聚变，这是科学皇冠上可望不可及的最耀眼的一颗明珠。自上世纪30年代以来，将近100年的时间里，多少国家、多少科学家投入巨大的财力精力试图攫取这颗明珠，都没有获得成功，以至于科学界有这样一个笑话，不管你什么时候问离可控核聚变还有多远，答案永远是——还有50年。这倒也不奇怪，可控核聚变如果不难，也不会进入科幻作品了。 但请记住这个日子，2022年12月13日。首先是英国的金融时报报道，随后多家西方主流媒体跟进，美国科学家们已在可控核聚变领域取得了突破性的进展，美国能源部计划于北京时间周二（12月13日）晚上11点钟宣布这一爆炸性新闻。 据了解实验初步结果的三位人士透露，位于美国加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）首次在聚变反应中实现了“净能量收益”，也就是产生的能量比注入的能量还要多。这个被命名为“国家点火装置”（NlF）的项目通过所谓的“惯性约束聚变”产生能量，科学家将含有氢燃料的小球发射到近200个激光器阵列中，产生了一系列极快的、每秒50次的反复爆炸。从中子和 α 粒子中收集的能量以热的形式被提取出来，而这种热量成为产生能量的关键。据知情人士透露，这次聚变反应大约产生了2.5兆焦耳的能量，高于激光消耗的2.1兆焦耳能量约20%，这20%的超出额就是“净能量收益”。整个项目据说花费了35亿美元，产生的总能量2.5兆焦耳只够烧开十壶开水，因为输出的能量超出预期，还有部分实验设备遭到了破坏，乍一看来，这个投入产出比简直是荒唐。但是，基础科学研究就是这样，实现“净能量收益”终于突破了能量角度投入产出的瓶颈，开启了可控核聚变商业利用的黎明，这是一个不折不扣的历史性突破。从今天开始，当人们再说我们距离可利用的可控核聚变还有50年，就不单单是一个笑话了。美国“国家点火装置”项目内部 什么是可控核聚变，它为什么这么重要呢？ 现在遍布世界各地的核发电站用的都是核裂变技术，将一个大质量的原子核分裂成两个比较小的原子核的过程可以释放巨大的能量。反过来，核聚变是将两个质量小的原子核合成一个比较大的原子核的过程，可以释放更大的能量。1939年，美国物理学家贝特通过实验证实，如果把1个氘原子核经过加速器加速后与另1个氚原子核碰撞，会形成1个氦原子核并释放1个自由中子。核聚变释放的能量，是核裂变释放能量的4倍。 核聚变听起来前景无比光明，但为什么从技术角度讲，要比核裂变难成千上万倍呢？武侠小说中，判断一个人武功高低不在于他的招数威力有多猛，而在于他能否收放自如。《天龙八部》里面的段誉虽然会六脉神剑，但是一直不能跻身超一流高手的行列，就是因为这个六脉神剑不可控，有时候能发挥出来，有时候却发挥不出来。利用核聚变的难点也在于“可控”二字。所谓可控核聚变，是指在一定条件下控制核聚变的速度和规模，能实现安全、持续、平稳能量输出的核聚变反应。 科学家们研究的可控核聚变装置，原理类似太阳利用核聚变发光发热的过程，只是约束的方式不同。因此，可控核聚变装置也被称为“人造太阳”。可以想象，在地球上造出一个“太阳”是何等艰难——不仅要耐得住上亿摄氏度的高温，还要求等离子体密度足够大、在有限空间里被约束足够长时间。 20世纪中叶，苏联科学家研制出了一种利用磁约束来实现可控核聚变的环形容器。这种名为托卡马克的装置，为可控核聚变技术的突破打开了第一扇大门。 同一时期，激光出现了。这一重大发明使可控核聚变研究有了一种新手段——惯性约束核聚变。用高功率激光束均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸，通过烧蚀等离子体产生的压力在极短时间内把氘氚等离子体压缩到极高的密度和温度，从而引起核聚变反应。 目前，磁约束核聚变与惯性约束核聚变被认为是实现可控核聚变的两种主要方式。前面说的美国国家点火装置（NIF）就是基于惯性约束核聚变原理。磁约束核聚变技术路径方面，今年也传来好消息，今年2月，英国牛津大学的学者们宣布：他们在一台巨型托卡马克机器中产生了创纪录的59兆焦耳的核聚变能量，并持续了5秒钟。59兆焦耳的能量输出远远超出了美国国家点火装置（NlF）的2.5兆焦耳，可供一个普通家庭一天的能源需求。但与前者的最重要的区别是英国项目没有实现净能量收益，并没有突破能量投入产出比的瓶颈，因而同过去几十年取得进步相比，只是量变而非质变。 万事开头难，净能量收益一旦实现，可控核聚变沿着惯性约束核聚变的路径可望加速取得进展。核聚变究竟能为人类带来什么？它为什么如此重要呢？一言以蔽之，可控核聚变大规模商业化可以使人类一劳永逸的摆脱对化石原料的依赖，实现真正取之不竭的清洁能源。 首先，核聚变原料充足。在自然界中，氢的同位素氘和氚是最容易实现聚变反应的元素。作为核聚变原料，氘在地球上的含量相当丰富，仅海水中的含氘总量就多达40万亿吨，如果把海水中的氘全部用于核聚变反应，其释放出的能量足够人类使用上百亿年。氚可由中子和锂反应制造，海水中含有大量的锂。 其次，核聚变反应安全可靠。由于核聚变堆的聚变反应需高达上亿摄氏度的超高温条件，如果温度达不到反应条件或某一环节出现问题，反应就会自动终止，而不会产生其他破坏性的影响。聚变反应只能在这种极端条件下发生，因此不可能出现“失控”链式反应。此外，核聚变反应依赖燃料的连续输入，一旦终止，核聚变反应几秒内就停止了，因此该过程本质上是安全的。 最后，核聚变生产应用无污染。在氘氚核聚变过程中主要产生氦，氦没有污染性，不会产生任何有毒气体或者温室气体。 刘慈欣在本世纪第一个十年创作小说《三体》的时候，把人类利用可控核聚变的时间定位在22世纪。他无法想到，仅仅十多年后，美国国家点火装置（NlF）已经取得了历史性的突破，理论上将可控核聚变商业化利用的时间表大大提前。事实进一步说明，人类的想象力和创造力是无穷的，科技时代的未来是大可期望的。
