可控核聚變，一定條件下，控制核聚變的速度和規(guī)模，以實現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出的核聚變反應。有激光約束核聚變、磁約束核聚變等形式。具有原料充足、經(jīng)濟性能優(yōu)異、安全可靠、無環(huán)境污染等優(yōu)勢。因技術(shù)難度極高，尚處于實驗階段。
核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核，并釋放出能量的過程。自然界中最容易實現(xiàn)的聚變反應是氫的同位素——氘與氚的聚變，這種反應在太陽上已經(jīng)持續(xù)了50億年?？煽睾司圩兯追Q人造太陽，因為太陽的原理就是核聚變反應。(核聚變反應主要借助氫同位素。核聚變不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，不產(chǎn)生核廢料，當然也不產(chǎn)生溫室氣體，基本不污染環(huán)境)人們認識熱核聚變是從氫彈爆炸開始的?？茖W家們希望發(fā)明一種裝置，可以有效控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續(xù)穩(wěn)定的輸出。
最近一段時間，美國在可控核聚變研究方面取得了重大突破。
當?shù)貢r間12月13日，美國能源部宣布，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的國家點火裝置(NIF)首次實現(xiàn)了所謂的“能量凈增益”，即核聚變反應產(chǎn)生的能量超過輸入的能量。
具體操作過程是，NIF將2.05兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，最后產(chǎn)生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，達到了“點火”標準。
看著到這，很多人都好奇，美國目前可控核聚變到底處于什么水平呢?中國的可控核聚變又處于什么樣的水平，能夠趕得上嗎?
美國能源部長 Jennifer Granholm 指出，這次實驗的成功，是在核聚變研究，在核技術(shù)，在能源史上都極為重要的里程碑事件。
首先可以肯定的是，美國這次點火成功確實具有重大的意義，這意味著人類在研究可控核聚變上又邁出了一大步，但這一大步只是相對而言了，想要實現(xiàn)可控核聚變?yōu)槿祟愃?，還有很長的路要走。
打個簡單的比方，如果在追求可控核聚變應用的路上需要走100步，那截至目前人類估計連10步都還沒走完。
雖然這次美國成功點火實現(xiàn)了重大技術(shù)突破，但其產(chǎn)生的能量微乎其微，根據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)(CNN)稱，這次點火裝置產(chǎn)生能量只夠燒10壺開水，而為了達成這個目標，NIF用了將近10年時間。
NIF的點火裝置始于2010年，至今已經(jīng)投入12年時間，累計投入的資金達到幾十億美元，他們用了十幾年時間才成功實現(xiàn)了“點火”。
本次實驗所在的勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室主任 Kim Budil 博士則表示，“在實驗室中實現(xiàn)聚變點火，是人類有史以來應對的最重要科學挑戰(zhàn)之一。這次能夠?qū)崿F(xiàn)它，是我們在科學，在工程上的一次全人類的勝利?！?
NIF一直在嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產(chǎn)生的高溫高壓實現(xiàn)核聚變。12月5日，該研究團隊將2.05兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，產(chǎn)生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，達到了“點火”標準。
據(jù)美能源部介紹，“國家點燃實驗設(shè)施”是全球最大、能量最高的激光系統(tǒng)，其使用超強激光束來產(chǎn)生與恒星和巨型行星核心以及核武器內(nèi)部相當?shù)臏囟群蛪毫?。此次核聚變實驗中，“國家點燃實驗設(shè)施”向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，首次展示了慣性約束核聚變的最基本科學原理。慣性約束核聚變是實現(xiàn)可控核聚變的兩大主流方案之一(另一個是磁約束)，該技術(shù)利用激光的沖擊波使得通常包含氘和氚的燃料球達到極高的溫度和壓力，來引發(fā)核聚變反應。
從去年開始在VC圈火爆的可控核聚變，一時間又成了科技圈的當紅領(lǐng)域——無論是科技創(chuàng)業(yè)者，還是風險投資人，都在為這一消息一鍵三連。用德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所的核聚變專家Thomas Klinger在1年前接受采訪時說的話是：“整個氛圍都變了，我們感覺離目標越來越近了?！?
先簡單解釋下什么是可控核聚變。核聚變，是指將兩個較輕的原子，在極高溫、高壓下讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用，生成一個較重的核和一個極輕的核(或粒子)。在此過程中，一部分聚變的原子核的物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為光子(能量)。這是太陽以及其他恒星內(nèi)部源源不斷產(chǎn)生能量的方式。
最早的人工核聚變技術(shù)在氫彈上得到體現(xiàn)，但是不受控制的。上世紀50年代，人類開始研究用于民用目的的可控核聚變。
如同1942年芝加哥大學的網(wǎng)球場上建起了第一座人工核反應堆 “馴服” 核裂變一樣，人類社會始終探尋將核聚變從不受控制的氫彈爆炸轉(zhuǎn)變成可控的、源源不斷的商用清潔能源。
在物理學的認知中，宇宙間所有恒星的能量都起源于兩個氫原子核的聚變反應，因此可控核聚變計劃又常常被稱作“人造太陽”。
如果說可控核聚變的理想是宇宙星辰，現(xiàn)實就是光年的距離，每一步都是艱難異常的可行性丈量，至今離終點還很遙遠。
“萊特兄弟時刻”
2021年8月，美國國家點火裝置(NIF)通過激光核聚變實驗創(chuàng)下了輸出能量的歷史最高記錄，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首席科學家Omar Hurricane將其稱作 “萊特兄弟時刻”。
事實上，NIF的點火之路始終與質(zhì)疑共存。
證明可控核聚變科學可行性的第一步就是“Q>1”，即輸出的能量大于維持反應所需輸入的能量，核聚變反應可以依靠自身產(chǎn)生的能量維持。這一臨界狀態(tài)被稱作收支平衡，也叫“點火”。
對于輸入能量大于輸出能量，NIF團隊重新定義了“科學收支平衡”——為達到核聚變火所需的高溫高壓條件，點火裝置使用了192束紫外激光轟擊靶標。而激光效率極低，通常只有1% 左右能夠成功轟擊到目標。團隊建議計算Q值時將輸入能量看作激光能量，而非外界供給的總能量，刻意忽略了激光的低命中率。
我國的磁約束聚變研究與國際基本同步，近年來，我國托卡馬克實驗取得多項進展，如中國環(huán)流器二號A(HL-2A)裝置歸一化比壓突破3，東方超環(huán)(EAST)實現(xiàn)了千秒量級長脈沖運行等。特別是2020年建成的新一代“人造太陽”HL-2M是我國目前規(guī)模最大、參數(shù)最高的磁約束核聚變研究大科學裝置平臺。2022年，HL-2M裝置創(chuàng)造了國內(nèi)等離子體運行新紀錄，等離子體電流達到115百萬安培，意味著該裝置未來可以在超過1兆安培的等離子體電流下常規(guī)運行，開展前沿科學研究，對我國深度參與ITER實驗及自主設(shè)計運行聚變堆具有重要意義。
進入21世紀以來，可控核聚變研究接連取得重要突破，隨著科技不斷進步，核聚變能源有望在本世紀中葉造福人類。核聚變能一旦實現(xiàn)商用，地球上的能源將取之不盡用之不竭，因能源消耗帶來的環(huán)境問題及能源短缺帶來的社會問題有望得到根本解決，人們的生活和科技水平也將因此而得到極大提高。
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