人类史上首次！人造太阳实现重大突破，石油或被彻底淘汰

　　历经几十年，可控核聚变的里程碑终于到来。
　　史上首次，人类实现了输出能量大于输入能量的可控核聚变。
　　在定义上，这一过程被称为点火（ignition）。
　　人类历史上第一次意义重大的能源进步，是对火的控制和利用。
　　如今我们再次举起火把，让人造太阳不再是天方夜谭。几十年的里程碑，人造太阳的一大步
　　12月13日，加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室宣布，首次成功在核聚变反应中实现净能量增益（即产生的能量超过了消耗的能量），在可控核聚变的道路上更进一步。
　　这些陌生的名词可能让人雾里看花，先让我们了解一下可控核聚变的概念。
　　核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。
　　自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了50亿年，恒星其实就是一个个的天然核聚变装置。
　　图片来自：istock
　　比起核裂变、焚烧化石燃料，核聚变有很多好处：
　　它不排放碳，不产生核裂变般的核辐射和核废料；由于核聚变需要极高温度，一旦燃料温度下降，聚变反应就会自动中止；一小杯氢燃料，理论上可以为一所房子提供数百年的能源。
　　所以，聚变能是一种接近无限的、清洁的、安全的新能源。
　　聚变是宇宙的能量来源，发生在太阳和恒星的核心。
　　如果人类能够以可控的方式，复制太阳的聚变反应，那会怎么样？
　　这种可控核聚变的愿景，被俗称为人造太阳。
　　可控核聚变的终极目标，是让海水中大量存在的氘在高温条件下发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源，替代化石原料和常规核能，且资源耗损远低于太阳能和风力发电。
　　聚变反应。
　　然而，太阳的核聚变靠自身引力提供的重力场约束，我们在地球上无法模仿，与此同时，太阳上的高温高压为聚变反应创造了必要的条件，地球上的聚变反应需要用更高的温度补偿。
　　相关研究从上世纪50年代就开始了，困扰科学家的地方在于，聚变反应消耗巨大的能量，如何让产生的能量超过消耗的能量。难上加难的是，能量还得持续稳定地输出，不能昙花一现。
　　12月5日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室，通过惯性约束聚变技术，终于实现了净能量增益的聚变反应，朝着人造太阳更近了一步。
　　研究人员将192束巨型激光射入一个橡皮擦长度的镀金黑腔，强烈的能量将容器加热到超过300万摄氏度，容器内装有胡椒粒大小的燃料颗粒。
　　激光的靶子很小，但是靶室很大。
　　激光不断反射加热，最终产生X射线。X射线剥离了颗粒的表面，引发了类似火箭的内爆，将温度和压力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能实现的极端，内爆的速度达到每秒400公里，导致氘和氚聚变。
　　最终，在持续不到万亿分之一秒的瞬间，激光输入的能量为2。05兆焦耳，聚变产生的中子的能量是3。15兆焦耳，后者除以前者，能量增益大于1。可持续电力，还在遥远的未来
　　虽然净能量增益的聚变反应已经实现，但想在实验室环境之外实践，甚至投入商用，仍然是路漫漫其修远兮。
　　首先，净能量增益只反映了聚变反应本身，为激光供电的300兆焦耳并没有被计算进去。从电能到激光的转换效率很低，如果计算输出电能到输入电能之比，能量增益小于1。
　　其次，在能源生产所需的规模上重现这种聚变反应，需要大量的资源。
　　国家点火装置（NIF），世界上最大和最高能量的激光器。
　　以及，将产生的能量部署到电网的机器，工程师们还没有开发出来。
　　所以，核聚变距离商用至少还有十年，也可能是几十年，发电厂更是遥遥无期。
　　目前，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的激光大约每天只发射一次，成本又极高，短时间不可能建立起一个可行的发电厂。
　　在新闻发布会上，劳伦斯利弗莫尔主任KimBudil表示，发布会代表的是一次聚变点火，但要实现商业核聚变发电，还需要做许多事，其中包括每分钟产生许多次核聚变点火。
　　核聚变的艺术渲染图。
　　类似地，核聚变也无法在短时间内投入气候保护。
　　能源技术专家JulioFriedmann指出，现在取得的成果非常重要，如果不能实现输出的能量大于输入的能量，就无法成为能量的来源。但它在未来2030年里都不会对气候减排做出有意义的贡献，这就是点火柴和造燃气轮机的区别。
　　要将升温限制在1。5摄氏度的安全线，我们必须在2050年前实现净零排放。依靠核聚变摆脱气候危机，是一个遥不可及的梦想。
　　罗切斯特大学教授、激光聚变专家RiccardoBetti，将核聚变的这次突破，比作人类第一次知道如何将石油提炼成汽油：
　　你仍然没有引擎，你仍然没有轮胎，你不能说你有车。
　　人类迈出了一大步，但前面可能还有几千几万步。下一代清洁能源，全世界摩拳擦掌
　　在过去的几十年里，许多国家都在推进可控核聚变。
　　上文提到的惯性约束，是实现可控核聚变的两大主流方案之一，另一个是磁约束。
　　事实上，磁约束是目前各国主攻可控核聚变的方向，托卡马克装置就是最著名的磁约束核聚变的方法。
　　托卡马克是一种环形装置，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，并实现人类对聚变反应的控制。
　　《钢铁侠》方舟反应炉就是可控核聚变。
　　《钢铁侠》的方舟反应炉有些像托卡马克，无论是史塔克工业基地的方舟反应堆，还是钢铁侠战甲胸口的迷你反应堆，都叫磁约束（核）聚变反应堆。
　　尽管可控核聚变技术和托卡马克装置最早起源于国外，但我国已经实现了后来者居上，处于世界前沿。
　　建成于2006年的中国人造太阳EAST，全称为全超导托卡马克核聚变实验装置，又称东方超环，由中国科学院等离子体物理研究所建在合肥。
　　2021年底，EAST实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，其间电子温度近7000万摄氏度，创下当时托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录。
　　EAST。
　　2020年12月4日，由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造的新一代人造太阳装置（HL2M）建成。
　　今年10月，HL2M取得了突破性进展等离子体电流突破100万安培（1兆安）。
　　未来，托卡马克聚变堆必须在兆安级电流下稳定运行，所以，这次突破也标志着我国核聚变距离聚变点火越来越近。
　　HL2M。
　　人造太阳是世界极度关注的大科学问题，在下一代清洁能源面前，国与国是利益相关的合作伙伴关系，最具代表性的是2006年启动的国际热核聚变实验堆（ITER）项目。
　　它是目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度等成员国参与其中，各国共同造出来的一颗人造太阳，是目前世界规模最大的核聚变反应堆，坐落在法国南部卡达拉舍。
　　ITER本体的组装工作预计于2025年结束，在接下来的几年里，ITER的部件将从各个成员国运输至卡拉达舍。我国作为平等成员方之一，承担了ITER建设阶段9。09的工作，并享有ITER100的技术成果使用权。
　　ITER在2018年的建设状况。
　　煤、石油、天然气有枯竭的危险，并带来环境污染；风能、水能、太阳能等受限于天气或地理条件；核裂变所需要的铀、钚等元素储量有限，还会产生放射性。
　　相比之下，可控核聚变技术，是被全人类寄予厚望的未来能源方式，有终极能源之称，因为它几乎能一劳永逸地解决能源问题。当它真正投入商用，除了气候效益之外，还可以为贫困地区带来廉价电力。
　　前景是美好的，道路是曲折的，希望在目之所及的未来，能够见证人造太阳冉冉升起。