美国核聚变获突破，净能量增益有多难实现？中国核聚变到了哪一步

不看不知道，一看真劲爆，全球能源界爆出这样一则消息，根据华盛顿邮报报道，美国能源部旗下的劳伦斯利弗莫尔国家实验室在核聚变领域取得了历史的突破，他们用国家点火设施NIF、一种激光聚变设备将2.1兆焦耳的能量引发释放了2.5兆焦耳的能量，在全球第一次实现了核聚变反应的净能量增益，通俗说就是产生的能量比注入的能量还要多。

这所耗资35亿美元打造的国家实验室，最初的目的是用于探测热核武器核心的聚变反应，但在90年代地下核试验被禁止后，美国能源部又花了10多年的时间在2009年搞了个国家点火设施，专门做些聚变反应试验，直接说就是惯性约束聚变发电。以美国为首的国家率先启动了小型的惯性约束聚变，现在中国这方面其实已经做到了仅次于美国。

氢弹我们还能用原子弹来来产生高能X射线，激发等离子体来引爆。对于这么小的聚变材料，自然不能用核弹了。那应该如何产生点燃的高能X射线呢？现在业界主流就是用激光，美国这个国家点火设施为了制造高能X射线，需要先让大量的激光射入一个专门制造的镀金黑腔内。激光在壁内不断反射加热，最终产生X射线。X射线最终点燃提前放置在黑腔内的微球。等离子体化的微球表面瞬间膨胀，使得聚变材料在几纳秒内产生3500~400km/s的速度，朝着内部撞击，产生数百GPa的压强，并最终发生核聚变。

所以该装置有十层楼高，跨越三个美式足球场地面积，NIF 装有一系列光学元件和镜子，可将初始光子脉冲放大并分裂成 192 束紫外激光束，最终将它们聚焦到一个比铅笔橡皮擦还小的目标上. 这些光束在不到十亿分之一秒的时间内以大约 2.1兆焦耳的能量击中了目标——一个金圆柱体，产生了只有在恒星和热核弹中才能看到的温度和压力。

面对这种脉冲功率，装有氘和氚冷冻小球的圆柱体随着小球核心的氢同位素加热、融合并产生氦核、中子和电磁辐射而坍塌。目标是释放一连串粒子，导致更多的融合和更多的粒子，从而产生持续的融合反应；根据定义，当聚变反应产生的能量大于消耗的能量时，就会发生“点火”。

其实美国这个新闻玩了下文字游戏，因为这些数字只考虑了激光提供的能量，忽略了这个激光器是地球上最大，最复杂的激光器之一，首先需要来自加利福尼亚电网的大约300兆焦耳才能供电。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。

NIF 使用 192 台激光器进行聚变实验所需的能量输入远远不止 2.1 兆焦。其电容器组可存储约 422 兆焦能量，充电本身也有损耗，实际能耗更大，历来在新闻里说所谓“2.1 兆焦激光”是这经过转换的紫外激光，而忽略了那之前全部的能量损耗。

全球范围内来看，也不仅是美国一家在搞核聚变实验，位于合肥的中科院等离子体研究所的EAST全超导托卡马克装置，是我国在核聚变研究领域的重器，这可是全世界第1个全超导托卡马克装置，在2009年的时候便首次试验成功。去年该装置创造了好几个世界纪录，其中一个就是在7000万摄氏度的高温下，让高温等离子体运行了1056秒。此外，EAST还在1.2亿摄氏度下，实现了101秒的运行时长；在温度更高的1.6亿摄氏度上，则保持了20秒。

可不要小瞧这短短的几十上百秒，每一次突破都意味着我们离掌握可控核聚变技术更近了一步。除了EAST，我国四川成都还有一个名叫环流器2号的托卡马克装置。

在核聚变研究方面，韩国也走在了世界前列，早在2020年的时候，韩国超导托卡马克高级研究装置KSTAR，在1亿摄氏度上，就维持运行了20多秒。不过几年过去了，韩国的KSTAR并未再次获得较大突破。上亿度的高温没有容器能够承载，必须要让高温等离子体像太阳那样悬浮在空中，托卡马克就是一种使用超强的磁场控制约束高温等离子体，并实现核聚变的装置。超导体能够产生极强的磁场，因此全超导托卡马克装置具有更强的磁约束能力。

让等离子体保持在1亿摄氏度的高温下，并使运行时间超过10秒，目前全世界上仅有少数几个国家能够办到。我国目前已实现百秒突破，未来如果能够在1亿摄氏度以上的高温下使运行时间超过1000秒，那可控核聚变的实现之日就不远了。上个世纪，在可控核聚变研究领域处于领先地位的是苏联、美国、日本和欧洲，而如今全球在该领域处于前沿的国家主要有美国、日本、中国、韩国和英国。

中美目前在核聚变研究领域都处于世界先进水平，但主要研究方向不同，一个是下象棋的高手，一个是下围棋的高手，两者之间没有可比性。至于磁约束和激光惯性约束，哪一个才是最终的发展方向，目前谁也说不准。