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稿源：科普中國

據英國《金融時報》援引消息人士提供的信息，北京時間今天晚上，美國能源部將會召開一次新聞發布會，預計將公布人類首次有收益的可控核聚變實驗結果。

重要問題放前面，據報道實驗結果是：人類花費幾十年努力，用一個價值幾百億的爐子，產生了可以燒開一壺水的能量。

【資料圖】

上面這是我翻譯的，原話的意思是：美國能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的可控核聚變“國家點火裝置（NIF）”在十一月底的一次實驗中，用 2.1 兆焦的能量輸入，測量到 2.5 兆焦的能量輸出，能量凈收益 400 千焦。

NIF 192束高能激光匯聚在一起，圖片來源：NIF官網

不關注科學新聞的朋友可能覺得這沒啥。經常關注核聚變研究進展的朋友也會覺得這也不是啥驚嚇。處于兩者之間的朋友們可能是最歡呼雀躍的。

當然我們要先說正能量消息，這個消息就是真正的“正能量”。核聚變因為其巨大的潛力，被很多人認為是解決人類未來能源乃至一切問題的根本解決方案。

可不，要是不可控的核聚變玩大了，有可能根本解決一切問題，畢竟，那就是氫彈……

核聚變的發生要在一個極端高溫高壓的環境里才能實現。自然界中，包括太陽在內的恒星，之所以可以用核聚變來產生巨大的能量，原因就在于它們都超級超級大，自身的引力在恒星內部產生了極大的壓強。顯然，地球上沒法制造這么大的引力。在氫彈中，我們用原子彈爆炸產生的高溫高壓來使物質達到聚變的條件。然而那是一錘子買賣，不可控。

幾十年下來，最終有兩種解決思路成了可控核聚變的主流方案。

01 用超強磁場約束等離子體

火就是等離子體，物質的溫度高到一定程度就會變成等離子體，而等離子體帶電，所以可以用磁場來“困住”它。大家可以點個蠟燭，用強磁鐵試試看能不能讓火焰彎曲。

那么磁場從哪里來？磁生電、電生磁，所以只需要一個電磁鐵就能產生磁場。但要產生巨大的磁場就需要巨大的電流，巨大的電流在普通的導線里，會由于電阻的存在變成巨大的“電熱爐”，最終燒了整個電磁鐵。

不過，我們現在有了超導材料，用超導電磁鐵圍住一個環，產生的超強磁場讓里面的物質即便很熱也跑不出去。跟太上老君的煉丹爐一樣。這種思路，就是超導托卡馬克裝置，最早是蘇聯科學家提出的。

圖片來源：中國科學院等離子體物理研究所

目前，超導托卡馬克派是國際核聚變界的更主流的力量，我國的聚變裝置主要為托卡馬克。憑借在超導領域的領先地位，我國很早就開展了這個思路的可控核聚變研究。2006 年，我們就在合肥建成了“東方超環”全超導托卡馬克實驗裝置，此后不斷創造世界紀錄，現在已經可以把一億度的等離子體束縛十幾分鐘。

我們還參與了可控核聚變界最大的國際合作項目-國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）的建設，該項目在法國南部，總花費將超過 100 億歐元。歐盟作為發起人占 45% 份額，中、美、俄、日、韓、印分擔其余的份額。它將會在 2025 年完成建設開始實驗。到時候，它的磁場強度將達到 5.3 特斯拉（注：特斯拉是磁場強度的國際標準單位），要知道地球表面的地磁強度才幾十個“微”特斯拉，我們東方超環的磁場強度是 3.5 特斯拉。

托卡馬克實驗裝置已經很接近凈收益的可控核聚變了。什么叫凈收益呢？就是有的賺。人工核聚變人類早實現了，可控人工核聚變也實現很久了，但是要實現它，我們需要花費巨大的能量。比如要維持托卡馬克裝置巨大的磁場，就需要巨大的電能，最終核聚變產生的能量還沒我們為了實現它花的能量多。

02 用激光約束等離子體

另一派可控核聚變的技術流，是用激光實現等離子約束。激光可以讓很大的能量集中在很小的區域內，此次美國國家點火裝置（NIF），就是用激光約束等離子體這一方法的。

在實驗中，NIF 使用激光照射一個塑料小球，激光的超高溫度會讓小球瞬間氣化，同時產生一個速度為 350 千米/秒的沖擊波。

隨后，產生的沖擊波會把小球氣化后的等離子體進行壓縮，被壓縮的等離子體密度會達到鉛的 10 倍以上（可以想象成把 2 個雞爪子壓縮到 1 立方厘米大小）。

為了做到這一點，NIF 需要用大約 200 束紫外激光照射塑料小球，這些激光來自于摻釹磷酸鹽玻璃激光器，總功率達到了驚人的 500 太瓦。

太瓦是什么？  

瓦大家比較熟悉，什么充電器多少瓦的。

千瓦是一千個瓦，空調電烤箱功率是一兩個千瓦；

一千個千瓦是兆瓦，飛機、輪船的發動機是兆瓦級別；

一千個兆瓦是吉瓦，三峽水電站的裝機容量大概二十吉瓦；

而一千個吉瓦是太瓦。

500 太瓦什么概念呢？三峽一年的發電量，只能讓它運行十幾分鐘。

好在，這 500 太瓦的激光只是在一瞬間工作的，工作時間以納秒計算。即便如此，每次工作之后，NIF 都需要幾個小時讓實驗裝置冷卻下來。

“激光約束等離子體”這一派以美國為領軍者，我國也有自己的神光裝置，幾十太瓦的峰值功率雖然不及 NIF，但是完全有可能用不同的點火方案實現類似的結果。

登上《中國科學》封面的神光裝置

NIF 今年年中也實現過一個能量輸出的突破，但是之后沒能重復出同樣的結果。太瓦級巨大能量、皮秒級極小時間，這是完全超越了日常生活體驗的世界。可控核聚變研究就是在世界的邊緣探索。

如果你問，今天這個大新聞意味著什么？那么或許可以用可控核聚變研究領域這個自嘲來回答：人類距離可以使用核聚變解決能源問題永遠只剩下 50 年了。1962 年的時候差 50 年，2022 年了，大概還差 48.5 年吧。

人類加油。

關鍵詞： 等離子體 托卡馬克 磁場強度