喜歡劉慈欣《三體》的讀者都記得這樣一個情節(jié)：人類在22世紀終于實現(xiàn)了可控核聚變，并將其應(yīng)用在太空飛船上。人類因此達到了光速的15%，從而有機會在和三體人最終決戰(zhàn)到來之前逃離太陽系。

    可控核聚變，這是科學(xué)皇冠上可望不可及的最耀眼的一顆明珠。自上世紀30年代以來，將近100年的時間里，多少國家、多少科學(xué)家投入巨大的財力精力試圖攫取這顆明珠，都沒有獲得成功，以至于科學(xué)界有這樣一個笑話，不管你什么時候問離可控核聚變還有多遠，答案永遠是——還有50年。這倒也不奇怪，可控核聚變?nèi)绻浑y，也不會進入科幻作品了。

    但請記住這個日子，2022年12月13日。首先是英國的金融時報報道，隨后多家西方主流媒體跟進，美國科學(xué)家們已在可控核聚變領(lǐng)域取得了突破性的進展，美國能源部計劃于北京時間周二（12月13日）晚上11點鐘宣布這一爆炸性新聞。

    據(jù)了解實驗初步結(jié)果的三位人士透露，位于美國加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）首次在聚變反應(yīng)中實現(xiàn)了“凈能量收益”，也就是產(chǎn)生的能量比注入的能量還要多。這個被命名為“國家點火裝置”（NlF）的項目通過所謂的“慣性約束聚變”產(chǎn)生能量，科學(xué)家將含有氫燃料的小球發(fā)射到近200個激光器陣列中，產(chǎn)生了一系列極快的、每秒50次的反復(fù)爆炸。從中子和 α 粒子中收集的能量以熱的形式被提取出來，而這種熱量成為產(chǎn)生能量的關(guān)鍵。據(jù)知情人士透露，這次聚變反應(yīng)大約產(chǎn)生了2.5兆焦耳的能量，高于激光消耗的2.1兆焦耳能量約20%，這20%的超出額就是“凈能量收益”。整個項目據(jù)說花費了35億美元，產(chǎn)生的總能量2.5兆焦耳只夠燒開十壺開水，因為輸出的能量超出預(yù)期，還有部分實驗設(shè)備遭到了破壞，乍一看來，這個投入產(chǎn)出比簡直是荒唐。但是，基礎(chǔ)科學(xué)研究就是這樣，實現(xiàn)“凈能量收益”終于突破了能量角度投入產(chǎn)出的瓶頸，開啟了可控核聚變商業(yè)利用的黎明，這是一個不折不扣的歷史性突破。從今天開始，當人們再說我們距離可利用的可控核聚變還有50年，就不單單是一個笑話了。

美國“國家點火裝置”項目內(nèi)部

    什么是可控核聚變，它為什么這么重要呢？

    現(xiàn)在遍布世界各地的核發(fā)電站用的都是核裂變技術(shù)，將一個大質(zhì)量的原子核分裂成兩個比較小的原子核的過程可以釋放巨大的能量。反過來，核聚變是將兩個質(zhì)量小的原子核合成一個比較大的原子核的過程，可以釋放更大的能量。1939年，美國物理學(xué)家貝特通過實驗證實，如果把1個氘原子核經(jīng)過加速器加速后與另1個氚原子核碰撞，會形成1個氦原子核并釋放1個自由中子。核聚變釋放的能量，是核裂變釋放能量的4倍。

    核聚變聽起來前景無比光明，但為什么從技術(shù)角度講，要比核裂變難成千上萬倍呢？武俠小說中，判斷一個人武功高低不在于他的招數(shù)威力有多猛，而在于他能否收放自如。《天龍八部》里面的段譽雖然會六脈神劍，但是一直不能躋身超一流高手的行列，就是因為這個六脈神劍不可控，有時候能發(fā)揮出來，有時候卻發(fā)揮不出來。利用核聚變的難點也在于“可控”二字。所謂可控核聚變，是指在一定條件下控制核聚變的速度和規(guī)模，能實現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)能量輸出的核聚變反應(yīng)。

    科學(xué)家們研究的可控核聚變裝置，原理類似太陽利用核聚變發(fā)光發(fā)熱的過程，只是約束的方式不同。因此，可控核聚變裝置也被稱為“人造太陽”。可以想象，在地球上造出一個“太陽”是何等艱難——不僅要耐得住上億攝氏度的高溫，還要求等離子體密度足夠大、在有限空間里被約束足夠長時間。

    20世紀中葉，蘇聯(lián)科學(xué)家研制出了一種利用磁約束來實現(xiàn)可控核聚變的環(huán)形容器。這種名為托卡馬克的裝置，為可控核聚變技術(shù)的突破打開了第一扇大門。

    同一時期，激光出現(xiàn)了。這一重大發(fā)明使可控核聚變研究有了一種新手段——慣性約束核聚變。用高功率激光束均勻輻照氘氚等熱核燃料組成的微型靶丸，通過燒蝕等離子體產(chǎn)生的壓力在極短時間內(nèi)把氘氚等離子體壓縮到極高的密度和溫度，從而引起核聚變反應(yīng)。

    目前，磁約束核聚變與慣性約束核聚變被認為是實現(xiàn)可控核聚變的兩種主要方式。前面說的美國國家點火裝置（NIF）就是基于慣性約束核聚變原理。磁約束核聚變技術(shù)路徑方面，今年也傳來好消息，今年2月，英國牛津大學(xué)的學(xué)者們宣布：他們在一臺巨型托卡馬克機器中產(chǎn)生了創(chuàng)紀錄的59兆焦耳的核聚變能量，并持續(xù)了5秒鐘。59兆焦耳的能量輸出遠遠超出了美國國家點火裝置（NlF）的2.5兆焦耳，可供一個普通家庭一天的能源需求。但與前者的最重要的區(qū)別是英國項目沒有實現(xiàn)凈能量收益，并沒有突破能量投入產(chǎn)出比的瓶頸，因而同過去幾十年取得進步相比，只是量變而非質(zhì)變。

    萬事開頭難，凈能量收益一旦實現(xiàn)，可控核聚變沿著慣性約束核聚變的路徑可望加速取得進展。核聚變究竟能為人類帶來什么？它為什么如此重要呢？一言以蔽之，可控核聚變大規(guī)模商業(yè)化可以使人類一勞永逸的擺脫對化石原料的依賴，實現(xiàn)真正取之不竭的清潔能源。

    首先，核聚變原料充足。在自然界中，氫的同位素氘和氚是最容易實現(xiàn)聚變反應(yīng)的元素。作為核聚變原料，氘在地球上的含量相當豐富，僅海水中的含氘總量就多達40萬億噸，如果把海水中的氘全部用于核聚變反應(yīng)，其釋放出的能量足夠人類使用上百億年。氚可由中子和鋰反應(yīng)制造，海水中含有大量的鋰。

    其次，核聚變反應(yīng)安全可靠。由于核聚變堆的聚變反應(yīng)需高達上億攝氏度的超高溫條件，如果溫度達不到反應(yīng)條件或某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，反應(yīng)就會自動終止，而不會產(chǎn)生其他破壞性的影響。聚變反應(yīng)只能在這種極端條件下發(fā)生，因此不可能出現(xiàn)“失控”鏈式反應(yīng)。此外，核聚變反應(yīng)依賴燃料的連續(xù)輸入，一旦終止，核聚變反應(yīng)幾秒內(nèi)就停止了，因此該過程本質(zhì)上是安全的。

    最后，核聚變生產(chǎn)應(yīng)用無污染。在氘氚核聚變過程中主要產(chǎn)生氦，氦沒有污染性，不會產(chǎn)生任何有毒氣體或者溫室氣體。

    劉慈欣在本世紀第一個十年創(chuàng)作小說《三體》的時候，把人類利用可控核聚變的時間定位在22世紀。他無法想到，僅僅十多年后，美國國家點火裝置（NlF）已經(jīng)取得了歷史性的突破，理論上將可控核聚變商業(yè)化利用的時間表大大提前。事實進一步說明，人類的想象力和創(chuàng)造力是無窮的，科技時代的未來是大可期望的。