在全球气候变暖和能源需求不断增加之下，科学家一直希望以“核聚变”（又称“核融合”）技术打造出“人造太阳”，获得大量洁净能源。
12月12日，有美英媒体报道，美国加州的科学家在此领域获得“重要突破”，首次在核聚变反应中取得“能量净增益”，即产生的能源大于消耗的能源。
英国《金融时报》和《华盛顿邮报》报道，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)使用实验性质的核聚变反应炉，达成了“能量净增益”（Net Energy Gain）。这代表研究人员首次成功在核聚变反应中，产生的能源大于消耗的能源，可望朝追求零碳能源迈出重大一步。
美国能源部与LLNL发言人表示，无法对上述报道发表意见或加以证实，但能源部长格兰霍姆将于今日（12月13日）“宣布重大科学突破”。
LLNL发言人还说，“分析还在进行当中，期待周二分析完成时，能分享更多信息”。
核聚变研究旨在模仿太阳制造能源的方式，复制核反应，该反应能产生大量能源，且核废料半衰期极短，被喻为零碳排的能源“圣杯”。理论上，一小杯氢燃料就可为一间房子供电长达数百年。
科学家自1950年代起就开始研究核聚变，不过，即使在实验室获得突破，核聚变至少还要十年甚至数十年后才可能投入商用。
图说：劳伦斯利弗莫尔国家实验室
来源：Damien Jemison / theatlantic
01美国核聚变突破有多大？
该消息最早由《金融时报》引述三名知情人士报导，美国LLNL运用一种称为惯性局限聚变的过程，过去两周在一次核聚变实验中达到净能量增益。
这种过程包括借由当今全球最大的激光，持续照射一个微小的氢电浆球。该聚变反应产生了大约 2.5 兆焦耳的能量，大约是激光所消耗的 2.1 兆焦耳能量的 120%。整个实验数据分析仍在进行中。
这次实验在LLNL内耗资35亿美元的“国家点火设施”（NIF）进行。NIF去年曾从一次核聚变反应制造出1.37兆焦耳，是当时照射激光能量的70%，是此前科学家最接近净能量增益的一次。
知情人士说，这次实验能源产出虽多于预期，却造成部分判读设备受损，使分析工作变复杂。
英国伦敦帝国学院学者特瑞尔（Arthur Turrell）博士指出，“如果获证实，我们正见证历史性时刻”。自20世纪50年代以来，科学家们一直在努力证明核聚变可以释放比投入更多的能量，而LLNL的研究人员终于实现了这个数十年的目标。
该设施的反应堆是一个基于激光的惯性约束核聚变装置，而不是大多数核聚变研究中正在使用的磁约束核聚变装置。
02什么是核聚变
要了解核聚变，首先需要了解核能（又称“原子能”），这是一种通过核反应从原子核释放的能量，符合爱因斯坦的质能方程E=mc² ，其中E=能量，m=质量，c=光速。
核能可通过三种核反应之一释放：
1.核裂变，较重的原子核分裂释放结合能。
2.核聚变，较轻的原子核聚合在一起释放结合能。
3.核衰变，原子核自发衰变过程中释放能量。
目前世界上大多数核电站，都是通过核裂变来获得能量。核裂变是从原子核分裂中获得能量，例如铀会分裂成两个较细的原子核和放出能量。核裂变可以是自发或诱发的，所以巨大的原子核普遍是 不稳定的，它们有可能会自发分裂。
原子核受其他粒子的撞击也会发生裂变，例如铀受中子撞击会实时分裂。
而核聚变则是通过将原子核结合而释放能量。这个过程是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。
两个较轻的核在融合过程中产生质量耗损并释放出巨大的能量。举个例：两个质量小的原子，比方说两个氘原子，在一定条件下（如超高温和高压），会发生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-3，并伴随着巨大的能量释放。
太阳发出的光和热就是由氢核聚变反应 (变成氦) 所产生的。所以也有人把核聚变称作“人造太阳”。
启动和维持聚变反应所需的条件比较苛刻——需要超过1亿摄氏度的温度，以达到发生反应所需足够高的粒子密度。由于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，核聚变不产生高放射性、长寿命的核废物。所以一般而言，核聚变比核裂变要安全。
在过去的几十年里，热核聚变研究形成了两大分支，一是磁约束聚变，主攻方向是托卡马克装置（比如中国的东方超环 (EAST) 和国际热核聚变实验堆(ITER)），另外还有仿星器，反向场箍缩及磁镜等装置。另一平行研究分支是惯性约束聚变，主攻方向是激光聚变，这次美国LLNL使用的就是激光聚变。另外还在研究轻、重离子束聚变及其它装置。
图说：劳伦斯利弗莫尔国家实验室技术人员在检查前置放大器支撑结构内的光学器件
来源：APnews
03核聚变商业化短期内很难实现
核聚变能提供无碳电力，有助于应对气候变化，确实给人类清洁能源提供了非常具有想象力的未来。包括比尔 · 盖茨、杰夫 · 贝佐斯、约翰 · 杜尔和谷歌等在内的商业大佬和知名企业，都向核聚变公司投入了大量资金。根据聚变工业协会的数据，私营企业去年就获得了超过 28 亿美元的融资，近年来总共获得了约 50 亿美元融资。
这一次，面对加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的新突破，科学家和能源行业专家似乎普遍感到兴奋，但许多人也强调，这并不意味着我们很快就会建造核聚变发电厂，或者让核聚变电能为我们的飞行汽车提供动力。
伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任 Jeremy Chittenden 评价说：“尽管从核聚变中获得净能量是一件大事，但跟为电网供电和为建筑物供暖所需的能量相比，它的规模要小得多。这只相当于烧开10壶水。为了把它变成一个发电站，我们需要获得更多的能源。”
正如《华盛顿邮报》在关于该实验的报道中指出的那样，未来的科学和工程障碍仍然巨大：
要获得净能量，需要使用世界上最大的激光器之一，并且需要巨大的资源来重建反应，使聚变适用于能源生产所需的规模。
更重要的是，工程师们还没有开发出能够以负担得起的价格将这种反应转化为电力的机械，这些电力实际上可以部署到电网中。
科学家说，建造足够大的设备来产生大规模的聚变电力，将需要非常困难的材料来生产。与此同时，该反应会产生中子，给制造该反应的设备带来巨大的压力，这种压力可能会把设备摧毁。
效率和净能量收益也是一个问题。
要使反应堆普遍有用，它必须产生比最初投入激光的能量更多的能量。从电力产生激光的效率非常低下。据估计，如果激光输出2.1兆焦耳的能量，那么美国这套“国家点火设施”（NIF）将不得不从电网中获得数十兆焦耳的能量才能实现这一目标。
即使反应堆能够抵消激光所需的真实能量，它也只能实现收支平衡。为了使核聚变成为现有能源的可行替代品，我们必须能够提取大量的净能源。
彭博社引述专家解释说，在这种系统中，由于废热和噪音而损失的能量，意味着它们的热效率通常低于50%。
简而言之，这一突破绝对意义重大，值得兴奋，但距离提供有用、丰富、清洁的能源还有很长的路要走，商业化的聚变能源生产还需要几十年的时间，不应被视为很快就能解决世界能源或气候变化问题的灵丹妙药。
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参考资料：
[1]https://www.ft.com/content/4b6f0fab-66ef-4e33-adec-cfc345589dc7
[2]https://www.theatlantic.com/technology/archive/2022/12/department-of-energy-nuclear-fusion-breakthrough-nif-livermore/672439/
[3]https://www.photonics.com/Articles/LLNLs_Nuclear_Fusion_Breakthrough_Offers_Step_to/a68579
[4]https://nymag.com/intelligencer/2022/12/how-big-is-the-u-s-fusion-breakthrough.html
[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1752074632294928013&wfr=spider&for=pc
[6]https://www.sciencemediacentre.org/expert-reaction-to-fusion-announcement-from-the-lawrence-livermore-national-laboratory/
[7]https://new.qq.com/rain/a/20221213A03H1300
注：首图来源于Laser Indirect Drive input to NNSA 2020 Report
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