喜歡劉慈欣《三體》的讀者都記得這樣一個情節：人類在22世紀終于實現了可控核聚變，并將其應用在太空飛船上。人類因此達到了光速的15%，從而有機會在和三體人最終決戰到來之前逃離太陽系。

    可控核聚變，這是科學皇冠上可望不可及的最耀眼的一顆明珠。自上世紀30年代以來，將近100年的時間里，多少國家、多少科學家投入巨大的財力精力試圖攫取這顆明珠，都沒有獲得成功，以至于科學界有這樣一個笑話，不管你什么時候問離可控核聚變還有多遠，答案永遠是——還有50年。這倒也不奇怪，可控核聚變如果不難，也不會進入科幻作品了。

    但請記住這個日子，2022年12月13日。首先是英國的金融時報報道，隨后多家西方主流媒體跟進，美國科學家們已在可控核聚變領域取得了突破性的進展，美國能源部計劃于北京時間周二（12月13日）晚上11點鐘宣布這一爆炸性新聞。

    據了解實驗初步結果的三位人士透露，位于美國加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）首次在聚變反應中實現了“凈能量收益”，也就是產生的能量比注入的能量還要多。這個被命名為“國家點火裝置”（NlF）的項目通過所謂的“慣性約束聚變”產生能量，科學家將含有氫燃料的小球發射到近200個激光器陣列中，產生了一系列極快的、每秒50次的反復爆炸。從中子和 α 粒子中收集的能量以熱的形式被提取出來，而這種熱量成為產生能量的關鍵。據知情人士透露，這次聚變反應大約產生了2.5兆焦耳的能量，高于激光消耗的2.1兆焦耳能量約20%，這20%的超出額就是“凈能量收益”。整個項目據說花費了35億美元，產生的總能量2.5兆焦耳只夠燒開十壺開水，因為輸出的能量超出預期，還有部分實驗設備遭到了破壞，乍一看來，這個投入產出比簡直是荒唐。但是，基礎科學研究就是這樣，實現“凈能量收益”終于突破了能量角度投入產出的瓶頸，開啟了可控核聚變商業利用的黎明，這是一個不折不扣的歷史性突破。從今天開始，當人們再說我們距離可利用的可控核聚變還有50年，就不單單是一個笑話了。

美國“國家點火裝置”項目內部

    什么是可控核聚變，它為什么這么重要呢？

    現在遍布世界各地的核發電站用的都是核裂變技術，將一個大質量的原子核分裂成兩個比較小的原子核的過程可以釋放巨大的能量。反過來，核聚變是將兩個質量小的原子核合成一個比較大的原子核的過程，可以釋放更大的能量。1939年，美國物理學家貝特通過實驗證實，如果把1個氘原子核經過加速器加速后與另1個氚原子核碰撞，會形成1個氦原子核并釋放1個自由中子。核聚變釋放的能量，是核裂變釋放能量的4倍。

    核聚變聽起來前景無比光明，但為什么從技術角度講，要比核裂變難成千上萬倍呢？武俠小說中，判斷一個人武功高低不在于他的招數威力有多猛，而在于他能否收放自如。《天龍八部》里面的段譽雖然會六脈神劍，但是一直不能躋身超一流高手的行列，就是因為這個六脈神劍不可控，有時候能發揮出來，有時候卻發揮不出來。利用核聚變的難點也在于“可控”二字。所謂可控核聚變，是指在一定條件下控制核聚變的速度和規模，能實現安全、持續、平穩能量輸出的核聚變反應。

    科學家們研究的可控核聚變裝置，原理類似太陽利用核聚變發光發熱的過程，只是約束的方式不同。因此，可控核聚變裝置也被稱為“人造太陽”。可以想象，在地球上造出一個“太陽”是何等艱難——不僅要耐得住上億攝氏度的高溫，還要求等離子體密度足夠大、在有限空間里被約束足夠長時間。

    20世紀中葉，蘇聯科學家研制出了一種利用磁約束來實現可控核聚變的環形容器。這種名為托卡馬克的裝置，為可控核聚變技術的突破打開了第一扇大門。

    同一時期，激光出現了。這一重大發明使可控核聚變研究有了一種新手段——慣性約束核聚變。用高功率激光束均勻輻照氘氚等熱核燃料組成的微型靶丸，通過燒蝕等離子體產生的壓力在極短時間內把氘氚等離子體壓縮到極高的密度和溫度，從而引起核聚變反應。

    目前，磁約束核聚變與慣性約束核聚變被認為是實現可控核聚變的兩種主要方式。前面說的美國國家點火裝置（NIF）就是基于慣性約束核聚變原理。磁約束核聚變技術路徑方面，今年也傳來好消息，今年2月，英國牛津大學的學者們宣布：他們在一臺巨型托卡馬克機器中產生了創紀錄的59兆焦耳的核聚變能量，并持續了5秒鐘。59兆焦耳的能量輸出遠遠超出了美國國家點火裝置（NlF）的2.5兆焦耳，可供一個普通家庭一天的能源需求。但與前者的最重要的區別是英國項目沒有實現凈能量收益，并沒有突破能量投入產出比的瓶頸，因而同過去幾十年取得進步相比，只是量變而非質變。

    萬事開頭難，凈能量收益一旦實現，可控核聚變沿著慣性約束核聚變的路徑可望加速取得進展。核聚變究竟能為人類帶來什么？它為什么如此重要呢？一言以蔽之，可控核聚變大規模商業化可以使人類一勞永逸的擺脫對化石原料的依賴，實現真正取之不竭的清潔能源。

    首先，核聚變原料充足。在自然界中，氫的同位素氘和氚是最容易實現聚變反應的元素。作為核聚變原料，氘在地球上的含量相當豐富，僅海水中的含氘總量就多達40萬億噸，如果把海水中的氘全部用于核聚變反應，其釋放出的能量足夠人類使用上百億年。氚可由中子和鋰反應制造，海水中含有大量的鋰。

    其次，核聚變反應安全可靠。由于核聚變堆的聚變反應需高達上億攝氏度的超高溫條件，如果溫度達不到反應條件或某一環節出現問題，反應就會自動終止，而不會產生其他破壞性的影響。聚變反應只能在這種極端條件下發生，因此不可能出現“失控”鏈式反應。此外，核聚變反應依賴燃料的連續輸入，一旦終止，核聚變反應幾秒內就停止了，因此該過程本質上是安全的。

    最后，核聚變生產應用無污染。在氘氚核聚變過程中主要產生氦，氦沒有污染性，不會產生任何有毒氣體或者溫室氣體。

    劉慈欣在本世紀第一個十年創作小說《三體》的時候，把人類利用可控核聚變的時間定位在22世紀。他無法想到，僅僅十多年后，美國國家點火裝置（NlF）已經取得了歷史性的突破，理論上將可控核聚變商業化利用的時間表大大提前。事實進一步說明，人類的想象力和創造力是無窮的，科技時代的未來是大可期望的。