对未来科技的五大预测（科技前沿35亿美元就为）

封面新闻记者 边雪

在人类未来能源革命的道路上，以“核聚变”为技术核心打造的“人造太阳”至关重要，而这项充满悬念的“重大科学突破”又前进了一大步。

当地时间12月13日上午，在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（以下简称LLNL）的科学家在发布会上宣布，他们首次在可控聚变实验中获得了净能量收益，即完成了被称为“点火”的实验过程。

“我相信点火是在上周一凌晨1点03分发生的，当时我正在查看实验数据并输入。然后开始看到一些迹象，表明已经发生了（净能量收益）这种情况，我做的第一件事就是打电话给诊断专家来重新检查数据。”

美国能源部、劳伦斯·利弗莫尔国家实验室“重大科学突破”发布会现场。

发布会上，美国加州国家点火装置(NIF)专家Alex Zylstra称，过去几十年来，聚变实验使用大量的“外部”加热使等离子体变热来产生聚变反应。“现在，我们终于有了一个系统，可让核聚变自身提供了大部分的加热。这是通往更高水平的核聚变性能道路上的一个关键里程碑。”

长期以来，LLNL一直试图掌握核聚变——一个为太阳和其他恒星提供动力的过程，利用反应过程中释放的大量能量，主要目的在于“清洁”能源。

经过了几十年的努力，核聚变实验中出现了一个重大的变化：用于实现核聚变的能量已经远远超过了释放出来的能量。作为NIF（美国的国家点火设施——National Ignition Facility Project，以下简称NIF）任务的一部分，科学家们一直希望实现“点火”，即能量输出“大于或等于激光驱动能量”。

一些专家仍然怀疑目前正在运行的聚变反应堆是否可能实现这样一壮举。去年8月，LLNL透露，通过使用1.9兆焦耳的激光驱动产生约1.3兆焦耳（能量测量），已经接近这个阈值。

时隔三个月，LLNL已经越过了这个门槛——实现了“点火”，并成为几十年来科学研究史上转折点：不仅是意义重大的能源进步，也向世人证明了“人造太阳”不再是天方夜谭。

美国加州国家点火装置(NIF)专家Alex Zylstra作为代表出席发布会。

从太阳到“人造太阳”

与核聚变相关的基础物理学，已经被人类研究了近一个世纪。

核聚变是在极端条件下发生的原子核之间的一种反应，就像恒星中存在的原子核一样。以我们熟悉的太阳为例，太阳的氢含量约为75%，由于其核心包含了所有的热量和压力，这些氢原子因挤压在一起互相融合，形成了氦原子。

但上述过程需要巨大的热量和压力，如果将原子拟人化，他们可能也不太喜欢被压扁在一起，但恒星为聚变提供了动力，恒星的重力为自我维持的聚变反应创造了完美的条件，它们不断燃烧，直到它们所有的燃料——原子一一耗尽。

这一想法形成了核聚变反应堆的基础：建造一个可以人为地重建太阳环境的装置，产生一种极其绿色的能源——核聚变不会直接产生温室气体，如二氧化碳和甲烷，从而导致全球变暖。

值得注意的是，核聚变反应堆也没有核裂变的缺点，即今天在核弹和反应堆中使用的原子分裂。换言之，核聚变发电厂不会产生与核裂变有关的放射性废物，是一种接近无限的、清洁的、安全的新能源。

这也是诞生于上世纪60年代NIF的雏形。根据公开信息，LLNL的先锋科学家曾做出假设：激光可以用来在实验室环境中诱导核聚变。随着时间的推移和技术蝶变，这一革命性的想法在物理学家John Nuckolls的领导下，演变为惯性约束核聚变。

作为世界上最大、能量最强的“惯性约束聚变”实验，耗资35亿美元的NIF占据了大约三个足球场的空间，是在房间的中心有一个目标：一个“霍洛拉姆”，或可容纳一个小胶囊的圆柱形装置。胶囊大约和胡椒一样大，充满了氢、氘和氚的同位素，简称“D-T燃料”。NIF将所有192个激光器聚焦于目标，产生极端热量，产生等离子体并引发内爆。因此，“D-T燃料”受到极端温度和压力的影响，将氢同位素融合成氦——而这个反应的结果是大量额外的能量和中子的释放。

简单来说，该实验可以想象成简单地模拟恒星的条件——就是将重氢同位素，氘和氚，融合成氦。

但复杂是，这个反应的开始需要大量的能量，NIF使用的整个激光系统提供动力需要超过400兆焦耳——但每一次发射都只有一小部分人能击中激光器。

LLNL称，在此之前，NIF一直能够用大约2兆焦耳的激光器击中目标，但在12月5日的一次实验中，却有可喜的变化发生。

用于NIF实验的燃料舱。（图片来源：Lawrence Livermore National Laboratory）

“人造太阳”终于“发光了”

“上周，他们第一次设计了这个实验，使聚变燃料保持足够热，足够密集，足够圆的时间，”美国能源部国家核安全管理局（简称，NNSA）副局长马夫·亚当斯在发布会上称，NIF产生的能量比激光沉积的还要多。

更具体地说，NIF的科学家们用约2兆焦耳的能量为激光供电，并能够获得约3兆焦耳。根据NIF使用的点火定义，在这个短脉冲中通过了基准，属于点火成功。

核聚变反应中的能量增益通常用一个“变量Q”表示，“Q值”可以指不同实验中不同的东西。但在本次点火实验中这里，“Q”指的是激光输入的能量和胶囊输出的能量，若“Q = 1”即为实现了能量输入等于能量输出“盈亏平衡”。

根据发布会公开信息，本次NIF运行的“Q值”约为1.5，尽管该“Q值”产生的能量，只够在水壶将水烧开。

实际上，作为核聚变反应堆的另一种生产热量方式，除了辅助热源外，还会使用磁铁来加热和容纳氢原子的磁约束反应堆（托卡马克环形反应堆）也取得了重大进展。在法国南部卡达拉舍，由中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度等成员国共同参与的国际热核聚变实验堆（ITER）项目在实验使用的是托卡马克模型。

托卡马克装置的工作原理是，加热到超过1亿摄氏度时，会产生旋转的氢同位素等离子体并相互碰撞，在碰撞过程中产生聚变反应。超级磁铁产生的磁场随后会将等离子体包含起来，以防止其破坏反应堆。

据悉，启动于2006年的ITER本体组装工作，将于 2025 年完成，并预计将在未来十年开始测试，并在2050年发展商业融合。作为平等成员方之一，中国承担了 ITER 建设阶段 9.09% 的工作，并享有 ITER 100% 的技术成果使用权。

NIF激光舱俯视图。（图片来源：Damien Jemison/Lawrence Livermore National Laboratory）

真正商用还早得很

当激光系统的总输入远远超过400兆焦耳时，产生大约2.5兆焦耳的能量并不能称之为高效。虽然NIF点火实验的结果，不会立即转化为核聚变的能量革命，对相关研究产生的影响却是变革性：这个小规模的净能量收益，成为了证明实验反应堆可以产生能源的关键的一步。

展望未来，新能源的新大门似乎也被推开。近年来，可控核聚变技术常被誉为一种对抗气候条件限制，减少人类对石油、天然气等燃料依赖，解决世界能源问题的良方。被全人类寄予厚望的“终极能源”，真正投入商用，还要在技术发展的推进下走很长的路。

在这场未来能源的“马拉松”上，中国速度也同样得以展现。今年10月，中国新一代“人造太阳”装置（HL-2M）等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了中国可控核聚变装置运行新纪录，标志着我国核聚变研发距离聚变点火迈进重要一步，跻身国际第一方阵，技术水平居国际前列。

“人造太阳”可能无法阻止气候变化、能源危机等情况产生，但如果充分发挥其潜力，它可能会为未来几代人提供近乎无限的能源供应。这也是人类首次将视野落在星际空间，去思考在地球上如何通过聚变反应产生未来的能源并加以利用。

或许到了那一天，我们会想起2022年12月5日，朝着曾经梦想过的目标迈出第一步的时候，“人造太阳”初升的光芒照亮地平线的时刻。

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