能源危機是人類未來發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)之一，而可控核聚變技術(shù)被認(rèn)為是解決能源危機的終極方案。2023 年，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室宣布，首次實現(xiàn)了可控核聚變 “點火”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于輸入的能量。這一突破讓全球矚目，人類離無限清潔能源還有多遠(yuǎn)？可控核聚變技術(shù)還面臨哪些挑戰(zhàn)？

先搞懂：什么是可控核聚變 “點火”？

核聚變是指輕原子核（如氫的同位素氘和氚）在極高溫度、極高壓力下融合成重原子核（如氦），同時釋放出巨大能量的過程。太陽和其他恒星的能量來源就是核聚變反應(yīng)?？煽睾司圩?，就是通過人工手段，控制核聚變反應(yīng)的過程，讓能量能夠穩(wěn)定、持續(xù)地釋放，從而用于發(fā)電等實際應(yīng)用。

而可控核聚變 “點火”，是可控核聚變研究的一個關(guān)鍵里程碑。它指的是核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的聚變能量，大于為引發(fā)反應(yīng)所輸入的能量，實現(xiàn)了能量的凈增益。在此之前，全球所有的可控核聚變實驗，都是輸入的能量大于輸出的能量，無法實現(xiàn)能量凈增益。2023 年美國的實驗中，科研人員向靶丸輸入了 2.05 兆焦耳的能量，最終產(chǎn)生了 3.15 兆焦耳的聚變能量，能量增益達(dá)到了 1.53，首次實現(xiàn)了真正意義上的 “點火”。

技術(shù)路線：慣性約束與磁約束的競爭

目前，可控核聚變的主要技術(shù)路線有兩種：慣性約束核聚變和磁約束核聚變。美國此次實現(xiàn) “點火” 的試驗，采用的是慣性約束核聚變技術(shù)。這種技術(shù)通過高功率激光束聚焦于一個微小的氘氚靶丸上，使靶丸在極短的時間內(nèi)被加熱和壓縮，達(dá)到核聚變所需的高溫高壓條件，從而引發(fā)核聚變反應(yīng)。

而磁約束核聚變技術(shù)，則是通過強大的磁場將高溫等離子體約束在環(huán)形真空室中，避免等離子體與裝置壁接觸，從而維持核聚變反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行。中國的 EAST 裝置、國際熱核聚變試驗堆（ITER）等，采用的都是磁約束核聚變技術(shù)。兩種技術(shù)路線各有優(yōu)勢：慣性約束核聚變技術(shù)的實驗裝置相對小型化，但難以實現(xiàn)持續(xù)的能量輸出；磁約束核聚變技術(shù)更容易實現(xiàn)持續(xù)反應(yīng)，但裝置規(guī)模龐大，技術(shù)難度較高。

后續(xù)挑戰(zhàn)：從單次點火到持續(xù)發(fā)電

盡管可控核聚變 “點火” 成功是一個重大突破，但要實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電，還面臨著諸多巨大的挑戰(zhàn)。首先是實現(xiàn)持續(xù)的能量輸出。美國此次的試驗，只是實現(xiàn)了單次的核聚變反應(yīng)，持續(xù)時間僅為十億分之一秒，無法持續(xù)穩(wěn)定地輸出能量。要實現(xiàn)發(fā)電，需要讓核聚變反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行 minutes 甚至 hours 級別，這需要解決等離子體的長期約束和穩(wěn)定控制問題。

其次是提高能量增益和效率。目前的能量增益雖然達(dá)到了 1.53，但這只是聚變能量與激光輸入能量的比值。如果考慮到整個實驗裝置的總能耗，如激光發(fā)生器的能耗、制冷系統(tǒng)的能耗等，實際的能量增益仍然為負(fù)。要實現(xiàn)商業(yè)化發(fā)電，能量增益需要達(dá)到幾十甚至上百倍，同時還要提高裝置的運行效率。

此外，還有材料和成本的問題。核聚變反應(yīng)會產(chǎn)生大量的高能中子，這些中子會對裝置材料造成嚴(yán)重的輻照損傷，需要研發(fā)能夠承受中子輻照的耐高溫、耐腐蝕材料。同時，可控核聚變裝置的建設(shè)和運行成本極高，目前的試驗裝置成本都在數(shù)十億美元以上，要實現(xiàn)商業(yè)化，必須大幅降低成本。

應(yīng)用前景：改變?nèi)蚰茉锤窬?/p>

如果可控核聚變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，將徹底改變?nèi)虻哪茉锤窬?。首先，可控核聚變能源是一種清潔、無限的能源。氘可以從海水中提取，1 升海水中的氘完全聚變釋放的能量相當(dāng)于 300 升汽油燃燒的能量，全球海水儲量中的氘足夠人類使用數(shù)十億年；而且核聚變反應(yīng)不會產(chǎn)生溫室氣體和放射性廢物，對環(huán)境幾乎沒有污染。

其次，可控核聚變能源可以保障能源安全。它不依賴化石燃料，不受國際能源市場波動的影響，能夠為各國提供穩(wěn)定、自主的能源供應(yīng)。此外，可控核聚變發(fā)電站的選址更加靈活，不需要依賴煤炭、石油等資源的分布，也不需要像水電站、風(fēng)電站那樣受地理環(huán)境的限制。

可控核聚變 “點火” 成功，讓人類看到了無限清潔能源的希望。但從單次試驗到商業(yè)化發(fā)電，還有很長的路要走。預(yù)計到 2050 年，可控核聚變技術(shù)可能實現(xiàn)初步的商業(yè)化應(yīng)用。當(dāng) “人造太陽” 真正為人類提供能源時，是否會徹底解決全球的能源危機和環(huán)境問題？讓我們期待這一天的到來。