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（为了产生聚变点火，国家点火设施的激光能量在装有可聚变燃料的装置（称为黑腔）内转化为 X 射线。然后，这些 X 射线会压缩燃料舱，直至其内爆，产生高温高压等离子体，发生聚变。） 要点
去年，即 2022 年 12 月 5 日，实现了一个令人难以置信的里程碑：核聚变反应首次实现了所谓的净能量增益。值得注意的是，核聚变反应释放的能量超过了输入到反应中的（有用）能量。这不是通过磁约束聚变反应堆实现的，磁约束聚变反应堆是全球大部分聚变资金的集中地，也不是通过数百个致力于将商业聚变带给公众的私人实验室中的任何一个实现的，而是通过一个基本上被遗忘的来源实现的：劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置。 今年，即 2023 年 7 月 30 日，国家点火设施再次做到了这一点，而且以一种更加出色的方式：重复了他们的结果，并实现了比去年 12 月更高的能源产量。尽管美国政府用于核聚变研究的资金微不足道，但所有这一切还是实现了：所有努力每年平均仅投入五亿美元。随着最近的这一确认，发展广泛的核聚变作为清洁、碳中和能源经济的支柱的道路现在比以往任何时候都更加清晰。但为了真正实现这一目标，我们不仅需要勇敢、大胆，还需要专注，因为干扰和陷阱可能真正使我们偏离最终目标。
最终目标 让我们直言不讳地说：最终目标是通过核聚变过程创造几乎无限量的能源，使人类能够向清洁能源经济过渡。这将是一个没有以下问题的经济体：
我们都清楚能源生产的污染影响，以及二氧化碳水平上升对全球气温、水资源供应、海洋酸化和世界许多其他生态方面的影响。我们还敏锐地意识到，为了为地球上超过 80 亿（以及不断增加的）人类的现代生活提供动力，需要一种安全、可靠且极其高效的能源。 然而，锁定在太阳内部的能量，即轻元素在高密度和极端温度下融合成重元素，可以为我们的能源生产需求提供理想的解决方案。这就是核聚变的希望。
但要实现这一目标，仅仅产生这些核聚变反应还不够：我们 70 多年来一直有能力做到这一点。由爱德华·泰勒策划的氢弹是地球上核聚变的一个壮观的例子。然而，这种能量不能轻易地转化为可用的电能，因为它的量级太大——太多的“一次性”现象——难以利用。 相反，我们需要以受控、可重复的方式产生核聚变反应。聚变能必须以小剂量连续或突发地发射，然后该能量可用于煮水、转动涡轮机或执行机械功，然后将其提取并转化为可用的电能，就像传统发电厂一样。 然后，将会出现工程和效率问题，例如：
但为了实现这一目标，我们首先需要通过盈亏平衡点：聚变反应产生的能量多于最初引发这些反应所需的能量。
目前的成就 当国家点火设施于 2022 年 12 月首次宣布这一消息时，这是一件大事，而他们在 2023 年 7 月底再次这样做（证明了可重复性）也是一件大事：他们已经证明，他们已经通过了盈亏平衡点聚变反应。他们已经实现了净能量增益，如果你观察产生聚变反应的能量——入射到目标上的能量——并将其与随后的聚变产生的能量进行比较反应产生的能量大于进入其中的能量。 然而，需要明确的是，这通过了科学家谈论它的方式的“盈亏平衡”点，而不是大多数人和大多数企业谈论它的方式。差异如下。
如果我们像一些人坚持的那样坚持第二个定义，那么我们距离盈亏平衡目标还有很长的路要走。在我们拥有商业上可行的核聚变发电厂之前，所有“工程和效率”问题仍然必须得到处理和克服。 但我们绝不能低估国家点火装置所取得的成就的重要性。2022 年 12 月，他们从各个方向向充满轻元素的小球壁发射了 192 束激光：这些元素和同位素与太阳中普遍存在的元素和同位素相同。击中目标的激光总能量为 2.05 兆焦耳（以焦耳为单位（物理学家的能量单位，每秒一焦耳是更熟悉的瓦特，即功率单位））。在随后的聚变反应中释放的能量远不止于此：3.15 兆焦耳。这是反应产生的净能量增益，以及以下方面的改进：
预计只会增加能量增益。尽管进行该实验的实验室劳伦斯利弗莫尔国家实验室尚未公布最终数据和细节，但他们已确认 2023 年 7 月的测试期间的净能量增益比 2022 年 12 月早些时候的测试更大。我们现在正处于盈亏平衡后时代，对于反应中最重要的部分（即产生聚变反应的部分），“能量输出”大于“能量输入”。
其他方法：科学与炒作的结合 国家点火装置使用的方法是将小颗粒加热到极高的温度，在这个热的、富含氢的体积内引发聚变反应，这种方法被称为惯性约束聚变。这就像一次非常非常小的爆炸，周围材料的质量（即弹丸外层的惯性）限制了聚变反应，使其能够持续足够长的时间以实现净能量增益。 然而，这并不是唯一有效的方法。 还有磁约束聚变，其中加热的等离子体被限制在称为托卡马克的环形装置内，并且磁场用于保持等离子体受到限制。在这些温度和密度下，会发生核聚变反应，但保持等离子体受到限制——防止其撞击内壁或外壁，并使其处于聚变反应能够以持续的方式持续发生的状态——是最具挑战性的方面这。世界各地都有小型、独立运行的托卡马克装置，国际上最大的建造此类聚变反应堆的项目——国际热核聚变实验堆（ITER）已经在期待着有趣的结果。目前，英国的JET托卡马克装置于2021年12月生产了5 秒内持续提供 59 兆焦耳的能量，但在 ITER投入运行之前，没有人期望磁约束聚变能够超越收支平衡。
还有一些“混合”方法，试图利用惯性约束方法（例如压缩）和磁约束方法（例如使用磁场和等离子体）的各个方面来实现聚变，但成功程度差异很大，但没有一个能达到各种托卡马克和国家点火装置所取得的成就。 从物理学的角度来看，这些混合方法中的许多方法都很有趣，并且有许多真正的物理学家参与其中，但江湖骗子在这个领域也无处不在，包括所有涉及所谓“冷聚变”或其试图重新命名为低聚变的努力。能源核反应（LENR），因为迄今为止这些尝试都失败了所有实验测试。（μ子催化聚变除外，这不是商业聚变的可行途径。） 任何聚变努力成功的关键是长期产生能实现净能量增益的聚变反应。尽管许多私营部门公司提出了许多疯狂的主张，但只有托卡马克式方法和国家点火装置才有可能在可预见的未来实现并超越这一自吹自擂的盈亏平衡点。
聚变研究投资不足的问题 核聚变最令人费解的方面之一就是，如果气候变化的代价如此之大，而我们现在已经通过核聚变达到了盈亏平衡点（商业可行性的主要物理障碍），那么我们为什么不投入大量资金实现核聚变的资源？ 根据公开数据，美国政府自 1954 年以来一直通过能源部资助核聚变研究。使用这段时间内通货膨胀调整后的数字（以现代美元计算），我们累计投资了340 亿美元用于核聚变研究：包括对 ITER 的贡献。相比之下，据估计，去年与气候变化相关的极端天气事件给美国造成了 1650 亿美元的损失。 考虑一下。2022 年，气候变化引发的极端天气事件给美国（仅）造成了 1,650 亿美元的损失。累计起来，从 1954 年到 2021 年（我掌握数据的最后一年），在这 68 年的时间里，我们在核聚变研究上总共投资了 340 亿美元：平均每年仅为 5 亿美元。
科学家们用如此少的资源却取得了如此大的成就，这确实令人惊奇。在美国每年 1.7 万亿美元的可自由支配支出中，只有 0.0005 万亿美元（不到 0.03%）用于科学研究，寻找解决地球能源和气候问题的最明确途径。如果说有一个地方值得我们投入资金以获得最大的长期投资回报，那就是这个地方了。 是的，各方面还有很多工作要做。如果 ITER 能够通过磁约束聚变实现收支平衡，那么商业聚变的道路就会变得清晰：需要在以下领域取得进展：
虽然许多人断言与惯性约束聚变相关的工程距离实现商业可行性还很远，但事实仍然是，NIF 所取得的成果——聚变反应的净能量增益——向我们表明，如果我们想要它，就可以实现至少有一条现成的路径可以明确地将我们带到商业聚变反应堆。
成功之路 如果我们想要的话，使用国家点火设施的装置制造可行的聚变反应堆的方法如下。
然而，这些都不是不可克服的科学问题。这些问题应该在正常的研究和开发过程中得到解决。重要的一点是：科学已经到来，并且已经以可重复的方式得到证明，将在 21 世纪下半叶将核聚变技术带入我们的生活。唯一的问题是，在开发这项技术时，我们是否会继续“大刀阔斧、精打细算”，或者我们是否最终会拥抱尖端科学，以及它有潜力为人类带来的所有好处。行星地球。 |
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