本文來自微信公眾號：騰訊太空（ID：qqtaikong），作者：喬輝，原文標題：《美國激光核聚變裝置取得重大突破！激動之余最好要了解這些基礎知識》，頭圖來自：NIF
北京時間2022年12月13日23點，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室宣布，該機構的國家點火裝置（NIF）成功首次實現了能量輸出大于激光能量輸入的可控核聚變反應。據悉，驅動核聚變的激光輸入能量大約2.1兆焦，而聚變輸出的能量大約2.5兆焦，用術語來講就是實現了大于1的能量增益（實現盈利）。
要注意的是，如果考慮到從電能到激光能量的轉換效率，整體的能量增益尚未大于1（尚未盈利）。但這的確是一項非常重要的進展，人類在實用化可控核聚變的道路上又前進了一大步。
圖注：NIF的前置激光放大器。早在2012年就實現了500太瓦的瞬時峰值輸出功率，幾乎相當于美國全境用電功率的1000倍。
這種利用激光打靶實現核聚變的方式是一種“慣性約束核聚變”。簡單講，科學家利用強激光脈沖快速注入核聚變材料中，在聚變材料還沒來得及散開的情況下達到點火條件，瞬間實現聚變反應。
圖注：NIF激光慣性核聚變使用的燃料靶丸，里面可盛放氘氚氣體。
圖注：激光打靶腔室。
另一種可控核聚變方式是磁約束核聚變，我們時常能聽到的“托克馬克“就是磁約束聚變的一種常用構型。我國位于安徽合肥中科院等離子體所的”東方超環“（EAST）核聚變裝置就是”托克馬克“磁約束裝置。
什么是核聚變？什么是可控核聚變？
在核物理上，核聚變是指把較輕的原子核聚合成較重原子核的過程。其實，我們頭頂上燦爛的太陽和浪漫的星星（恒星）都是一個個的天然核聚變裝置。
圖注：太陽就是一種引力約束的天然核聚變堆。
但恒星是靠自身引力約束的核聚變裝置，人類在地球上無法復制和模仿。另外，人類早在1952年就實現了不可控的核聚變反應，那就是氫彈爆炸！
圖注：氘氚核聚變原理圖。
要想實現可控核聚變反應，必須要使等離子體達到“勞森判據”的條件，簡單講就是要使等離子體的溫度、密度和約束時間三者的乘積達到一個閾值才行。這個點火條件實現起來可不容易，人類已為此付出了半個多世紀的努力。
可控核聚變的實現路徑有哪些？
目前，可控核聚變有兩個大的方向：一種是利用強激光對核聚變材料進行打靶的慣性約束核聚變的方向；另一種是利用強磁場約束等離子體的聚變方向。
本次曝出“大新聞”的美國國家點火裝置（NIF），就是利用強激光打靶的慣性約束核聚變方式的最具代表性的實驗裝置。從機理上看，這種方式猶如用激光引爆一顆顆微型氫彈。
圖注：NIF上使用的巨大“閃光燈”，用于泵浦激光。
值得一提的是，我國著名物理學家王淦昌先生生前就致力于慣性約束核聚變的研究。據悉，中國運行的最強系列激光裝置神光-I、神光-II和神光-III主要就是為這項研究做服務的。
圖注：我國可控核聚變裝置（EAST）。
文章開始我們也提到，利用磁場約束的核聚變方法，最出名的構型是“托克馬克”裝置，這種裝置最早由蘇聯物理學家首先提出并建造的，是目前主流的核聚變裝置類型，包括位于安徽合肥的——全超導托克馬克核聚變實驗裝置（EAST），又稱東方超環、以及正在法國建設中的國際熱核聚變實驗裝置（ITER）等等。
2021年5月28日，我國的EAST實現了可重復的1.2億度101秒等離子體運行和1.6億度20秒等離子體運行，再次創造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄，為核聚變發電奠定了堅實的物理和工程基礎。這個溫度也大大超過了太陽的中心溫度（約1500萬度）。
2022年，11月25日，國際熱核聚變實驗裝置（ITER）上的一個關鍵組成部分已經在中國制造出來，標志這個日趨完成的國際項目取得突破。ITER裝置的建設是一項國際合作項目，由美國、中國、歐盟、英國、瑞士、印度、日本、韓國以及俄羅斯參與其中，計劃2025年開始運營。
圖注：ITER建成后的效果圖。
此外，還有一種叫“仿星器”的磁約束核聚變構型。德國馬普等離子體物理研究所擁有世界上最大的仿星器研究裝置，名字叫“Wendelstein 7-X”， Wendelstein是德國巴伐利亞州一座山的名字。該裝置在 2018 年實現了更高的溫度、更高的等離子體密度和更長的脈沖時間，突破了仿星器的世界紀錄。
除了慣性約束裝置和磁約束裝置，目前還有其他機理的約束裝置，但目前還處于初級探索階段，這里就不詳談了。
何時才能真正實現可控核聚變發電？
人類對核聚變能源已夢想了很久很久，因為核聚變幾乎是一種“一勞永逸”的能源問題的終極解決方式。計算表明，一升海水中提取出的氘元素如果用于聚變反應，釋放的能量相當于300升汽油燃燒釋放的能量。
此前，在科學圈有個段子，我們離用上核聚變發的電永遠要等50年。但隨著科學技術的進步，我們離這個目標不會再用50年了。李建剛院士曾說：“可控聚變是人類共同的夢想，擁有非常重要的意義。未來，我們希望能用20年時間，實現可控聚變工程化和商業化的進程。”
由于聚變也是太陽發光的能量來源，這種在地球上人工控制聚變的實驗裝置又被稱作“人造太陽”，那就讓我們一起期待地球上的“人造太陽”早日升起吧。
本文來自微信公眾號：騰訊太空（ID：qqtaikong），作者：喬輝
