肉体凡胎捧出的“太阳”，是否从一开始就被黑心所污染？
年末常有大事发生，前几日，这一硕果降落在核聚变领域，即使只是不到一秒的突破也足以令学界兴奋。当地时间13日，美国能源部官员宣布，由美国政府资助的加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）“国家点燃实验设施”进行了历史上首次可控核聚变实验，成功实现“净能量增益”，核聚变实验中产生的能量多于用于驱动核聚变的激光能量。
据悉，利弗莫尔实验消耗300兆焦的激光器发射了192束激光，迅速轰击到胡椒粒大小、由氘氚制成的燃料上，将其加热到300万摄氏度，在高温、高压的环境下破开燃料表面，让氘氚中的氢原子融合，成功实现核聚变。从结果来看，该实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，维持了不到1秒，产生的能量比投入的能量多50%以上。
(资料图片仅供参考)
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆称，“这是一个具有里程碑意义的成就”，未来将激发更多的发现，为美国国防和清洁能源的发展铺平道路。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。剑桥大学核能讲师托尼·鲁尔斯通对此评价到，这一结果是科学的成功——但距离提供有用、丰富的清洁能源，还有很长的路要走。至此，这项开启于1997年的研究在几十亿的投入后，终于迈出了跨越式的进展，而这一步进展将会对人类能源的未来模式产生怎样的影响？科学界又是怎样看待这一成果的呢？
“人类终极能源”的火种为什么是“人造太阳”
对于美国首次实现聚变点火一事，有人认为这是人类获得真正清洁、取之不尽能源的一大突破口。在能源结构改革以前，人们利用的煤、石油、天然气不仅造成了环境污染，未来也有枯竭的危险，目前已经开拓使用的清洁能源中，风能、水能、太阳能等受限于天气或地理条件限制，尚且难以满足需要。当前的核电站采用的是核裂变反应，其需要的铀、钚等元素储量有限，还会产生放射性，历史上已有多例核电站核泄漏问题仍未解决。放射性对自然的影响不可小觑，从今年发现的切尔诺贝利黑色青蛙就可见一斑。
切尔诺贝利核泄漏废弃城市
核聚变是核能的一种形式，指的是两个轻原子核结合成一个重原子核并产生能量的过程，其原理来自于太阳——太阳发光发热依靠也是内部不断发生核聚变提供动力。目前我们所熟知的原子弹、核电站采用的则是核裂变原理，即一个原子核分裂成两个轻原子核产生的能量。
与核裂变不同的是，核聚变不会产生高放射性的核废料，辐射极少，且核聚变燃料丰富且容易获得，氘可以从海水中提取，氚可以利用丰富的天然锂生产，因此是目前研究阶段最理想的清洁能源。如中国科学院院士、中科院物理所研究员张杰所说：“1立方公里海水所含的氘，经过聚变反应产生的能量，相当于地球上所有石油储备产生的总能量”。
本次试验涉及到的激光核聚变是实现人造太阳的两大路径之一，另一路径是磁约束核聚变。磁约束核聚变的具体应用为托卡马克装置，通电后托卡马克内部会产生巨大的螺旋型磁场，将悬浮其中的等离子体加热到一个较高温度，最终引发核聚变。可控核聚变被认为是“人类的终极能源”，但经历70多年的研究，该领域仍处在实验阶段。
中国工程院院士杜祥琬表示，对于这两种技术路线，学界主流认识认为，托卡马克装置的磁约束核聚变实现商用化更有希望，是真正走向聚变能的技术途径。
如果真的能够完成“人造太阳”，将会为人类带来哪些改变？中科院等离子体物理研究所王腾对此解释到，改变可能主要在以下几方面：首先，能源危机迎刃而解，能源价格将非常低廉；其次，一些因能耗限制而难以开展的活动，包括海水淡化、星际航天等将可以大规模开展；最后，核聚变的产物为氦和中子，不排放有害气体，地球上的温室效应、酸雨、雾霾将大幅减轻乃至消失，生态环境将得到改善。
回到本次试验，其中实现的“点火”，指的是核聚变产生的能量超过激光束打入的能量，是可控核聚变走入现实必要的指标之一。“只有这种情况下，这一装置才有望提供能源，而不只是一个耗电器。”中山大学中法核工程与技术学院副教授王志斌向《中国新闻周刊》解释说，LLNL这次的实验从科学层面证明了，惯性约束聚变可以实现净能量增益。
但也并不是所有人都对这项成果感冒，不少人也提出了质疑——知乎一位答主表示，此次公布的净能量增益，是指聚变产生的中子的能量除以输入的激光的能量之比，而并非输出电能到输入电能之比，其中存在能量增益的夸大，两者能量增益差125倍之多。如果从电能开始算起，而不是从激光能量开始算起，那么NIF实现的能量增益也就0.008而已，并非大于1。他还强调，NIF作为惯性约束聚变的实验装置，很难再把成绩提高。
另一位知乎答主认为，按照NIF激光器的实际效率，和热机将聚变放出的热，转换为有用功的效率，不计其他问题，这装置现在的状态不可能对外净输电，装置内部充电本身也有损耗，实际能耗更大。所以他认为整个实验成果存在夸大，进展并不如媒体报道的那样高。
真正的未来技术，躲不开群雄逐鹿
在清洁能源的终极技术核聚变领域，各国无论从能源还是国防的角度出发，都始终未放弃该领域的探索。以美国来说，据美能源部介绍，本次试验的主体设施——“国家点燃实验设施”（NIF）是全球最大、能量最高的激光系统，其使用超强激光束来产生与恒星和巨型行星核心以及核武器内部相当的温度和压力。美国国家核安全管理局副局长马文·亚当斯表示，激光束将大量热量集中在一个微型球形胶囊上，结果是一个过热的等离子体环境，其中反应产生的能量比用于产生它的激光中所包含的能量多，约为1.5倍。
国家点燃实验设施（图源：Lawrence Livermore National Laboratory YouTube）
这个设施建成于2009年，美国国家核安全管理局在加州的LLNL建成了这个国家点火装置，在高10层、约有3个足球场大的建筑物中开展相关实验。值得一提的是，NIF原定目标是在2012年完成“点火”，但这一目标未能如期达成。由此，NIF多年来备受争议，业内一度认为它可能永远无法成功“点火”。
此前美国国家点火设施进行的多次核聚变试验中，取得的最好成绩是产出与投入能量比70%。根据实验分析，从乐观的角度来看，本次LLNL核聚变反应释放了大约3.15MJ的能量，比进入反应的能量多大约54%，是之前1.3MJ记录的两倍多。尽管如此，NIF在试验过程中消耗了322MJ的能量，是本次核聚变反应释放能量的102倍。
目前，全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER），采用的是上文提及的托卡马克装置。ITER是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，也是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆（ITER）项目启动协定。在今年11月，中国负责的其中一个关键组成部分，增强热负荷第一壁首件制造完工。
ITER项目主建筑（图源：ITER官网）
据悉，中国核能发展实施的是“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略，在磁约束和惯性约束聚变上均有研究。目前，中国磁约束核聚变技术的研究上已处于世界前列。
2021年12月我国合肥东方超环实现了1056秒长脉冲高参数等离子体运行，是之前保持记录的2倍还多；今年10月，中国新一代“人造太阳”HL-2M等离子体电流突破100万安培，创造了中国可控核聚变装置运行新纪录，标志着中国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。
一场核聚变的“明修栈道，暗度陈仓”？
在为技术突破兴奋之外，我们不得不对核领域保持清醒的警惕。对于该实验真正的用意，我国科学家给出了更谨慎的解答。中国工程院院士杜祥琬在接受凤凰网采访时表示，美国国家点火装置实现的净能量增益是科研上的进展，但离产生上百倍的高增益目标还差得很远，更不说提变成真正清洁、无限能量的“人造太阳”。LLNL的核聚变增益属于聚变物理范畴，不太可能为人类能源问题提供解决思路。人们真正用于能源的核聚变，是一种非爆炸性的可控的核聚变。
更为鲜明的是，杜祥琬院士认为，美国国家点火装置实验目的，不是给人类提供能源解决思路，而是核武器研究。这就不得不提到美国国家点火装置的建设背景，该装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行，其主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国核武器储备的维护提供指导。
武汉大学水利水电学院副教授徐明毅也曾在今年8月发表的一篇论文中提到，出于国防和战略安全考虑，美国、中国、欧盟、英、日等国家和地区都在开展相关研究，这其中包括美国的NIF、中国在运行的最大激光聚变驱动器神光III等。
但无论是哪条技术路线，核聚变商业化广泛应用，将”人造太阳“变成现实都预计仍需要很长时间。LLNL主任基姆·布迪勒也不得不承认，实现核聚变商业化可能需要数十年，核聚变技术还需克服诸多障碍，包括实现每分钟完成多次聚变点火，并拥有稳健的驱动程序系统等。在发布会当天，布迪勒也明确表示：“我们的计算表明，激光系统有可能实现数百兆焦耳的产量，实现产量的目标是有途径的，但我们现在离实现那个目标还很远。”
写在最后
尽管众说纷纭，但本次“点火”终究是国际核聚变研究的一大进步。但与其考虑维持仅不到1秒的技术何时实现商业突破为时尚早，在技术上如何降低成本创造高密度高温条件，让反应维持足够长的时间是最显而易见的难关。“人造太阳”离应用还有多远，仍是未知数，或许还需借用那句广为流传的调侃：“核聚变发电仅需20年，而且永远如此”。科学家们顶着这句调侃奋战多年，也是因为坚信探索清洁能源为人类带来的福祉吸引他们不能止步，太阳能、风能、水能等尚且如此，核聚变领域更是任重道远。
参考资料：
1.《世界首次激光核聚变点火成功，“人造太阳”指日可待？》，中国新闻周刊
2.《凤凰独家 | 院士杜祥琬：可控核聚变美国成了吗？》，凤凰网科技
3.《有太阳，为什么还要人造“太阳”？》，新华网
4.《美媒欢呼：美国核聚变实现历史性突破， 中方回了一句话震动全球》，野叟奇言
