核聚变首次“扭亏为盈”，人类能否掌握星际能量，突破文明维度？
上世纪50年代以来，人类从未在实验室核聚变中实现过正增益。核聚变的无穷能量就藏在爱因斯坦的质能转换方程里，E=MC²，但怎样才能把它们释放出来？
12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）用3个足球场那么大的世界最大激光器NIF（国家点火设施），发射192束激光轰击了胡椒粒大小的氘氚燃料球。最终用2.05兆焦耳（MJ）的能量，换回了3.15兆焦耳的核聚变能量输出，能量增益达到1.5。
所以，美国能源部长珍妮弗·格兰霍姆在美国时间周二的新闻发布会上说这是个“里程碑式的成就”。劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔表态则有些含混，这一成果的商用转化“可能还要几十年，但不是60年或50年，这种话是我们以前经常说的。”
不管怎么说，在这个世界多地因为能源短缺而格外难捱的冬天，高悬于人类未来的这轮“人造太阳”，已经提前带来了一丝暖意。
核聚变“扭亏为盈”有多难？
这场突破性实验很快就变成了手机里铺天盖地的新闻，复旦大学现代物理研究所副教授、副研究员张有鹏第一反应是“莫非又是标题党”？！
作为一位核裂变领域的专家，张有鹏开玩笑说是裂变已是“夕阳产业”，而“朝阳产业”核聚变却整天“放卫星”。点开新闻一看，LLNL是很有名的实验室，NIF也是很有名的设施，新闻居然是真的。目前为止唯一一次“在不使用氢弹的情况下实现核聚变的正增益”实现了！
耗资35亿美元的NIF设施，其实已经运行多年。“吃了很多草，但挤出来的奶不多”，上海电力大学核工程与核技术专业负责人黄凯博士调侃道。他参与过我国核聚变大型科学装置CRAFT的设计建造，清楚地知道核聚变能量增益数值Q突破1意味着什么。人类的核聚变事业做了好几十年的赔本买卖，“终于实现了扭亏为盈”。
但LLNL并不是一蹴而就的。黄凯记得Nature几年前发表过他们一篇论文，讲述了在实验过程中激光产生X射线对燃料球进行加热时，就已经实现过能量增益的突破。所以外界看来极具跨越性的这个成果，对LLNL实验室的科学家们而言可能是小步前进的结果。
黄凯举了一个例子，LLNL此次核聚变的首席科学家奥马尔发现，囿于加工精度的不足，燃料球表壳上存在瑕疵。奥马尔因此改进了实验步骤，让氘氚核的内爆更加均匀。
“理论是对的，运气也不错，各方面的条件都处于很棒的状态下”，所以张有鹏认为这次实验的成功是“一个完美的产物”。然而对于在微观世界里上下求索的科学家们来说，要想复制LLNL的成功，未来实现商业转化，要克服的难点依然很多——等离子体如何保持稳定？数以百计束的激光怎么保证对焦？那么小的空间里正增益的能量怎么传导出去？甚至就像黄凯所举的例子，氘氚核的加工工艺一旦产生误差，对结果的影响也很大。
要商用？还得靠磁约束
过去几十年中，全球在可控核聚变研究领域已形成了两大分支。张有鹏介绍说，一种是像美国LLNL这样的激光约束聚变，另一种是磁约束聚变，主要方向叫做“托卡马克装置”。在全世界范围内，托卡马克其实更加主流。
张有鹏认为，托卡马克更具备未来大规模转化的可能。因为它的设计初衷就是为了商业用途，从真空腔的体量到点火后可持续运转的可能，以及能量输出的传导装置，万事俱备，就等着一个Q大于1的时刻的到来。
黄凯也认为，LLNL的燃料球太小，每次反应结束都需要更换。而且NIF设施理论上每天只能完成一次实验，而商用的数据要求是每秒钟几十次聚变。黄凯和张有鹏这样的专业人士心知肚明，LLNL本质上是美国的核武器研究机构，核聚变商业转化并非它的设计初衷。
但无论是激光还是磁约束，其实都面临一个同样的瓶颈——材料。核聚变中产生的等离子体是高温度、高密度的，黄凯说哪怕某些金属的熔点再高也就几千度，“世界上不存在任何天然的物质能够‘hold’得住它”。即便等离子体是悬浮的，和环空器或者真空腔内壁并不接触，然而在核聚变点火后等离子体表面还是会溅射到材料上。“材料是目前核聚变木桶上最短的一块木板”，黄凯说。
“核聚”需要“人聚”
“今天回过头去看，美国当初的曼哈顿工程、登月计划，都是早期聚集数十万人攻关、投资巨大的超级项目。”张有鹏想说明，任何科技跨出第一步都是最难的。然而一旦跨出，就会带来丰厚的奖赏。
LLNL此次实验成功的意义不仅是科学的验证，也不仅是工程的奇迹，也是给每一位核聚变科研人员的激励和奖赏，更是对整个领域的一次强劲刺激。“人造太阳”唤起的公众热情，还会吸引更多的年轻人投身核能领域。
但其实此前，中国大学里核能相关专业的热度就已上升。黄凯早已欣喜地发现，他今年招收的本科新生人数是去年的两倍，而近一两年来各大高校的核能毕业生供不应求。中国目前的核电量在发电总量中占比只有5%，这个数字在美国是16%，法国则达到了75%。也就是说，未来这个产业可能会出现很多倍的扩张。
作为向民间开放的领域，核聚变领域同样也汇聚了很多“思路开阔、十分有活力”的民营企业。张有鹏认为，一旦更多资本、人才、社会资源都进入这个领域，材料、工艺等每个实验环节都累积起技术进步，“在通往理想国的道路上，我们一路采撷。目的地不是唯一的目的，旅程本身也硕果累累。”
建造人类的“能源巴别塔”
就在此刻，法国南部一处巨大的建筑工地上，人类有史以来最大的合作项目ITER（国际热核聚变实验堆计划）正在建设。建筑厂房已结构封顶，各种巨无霸装置正在吊装。这个数十亿美元投资，由中国、美国、俄罗斯、欧盟、印度、日本、韩国共同参与、涉及全球近一半人口的磁约束核聚变项目，即便疫情、战争也没有被中断。
它是人类的“能源巴别塔”。
黄凯介绍说，ITER是一个巨型的实验堆，因此投入运行的时间一再延后。按照核能的标准流程，在得到ITER的很多关键数据之后，还要建设规模更大的DEMO堆。“这个全人类共同的太阳，不是一个国家能完成的，甚至可能不是一代人能完成的”。
“世界各国的核裂变事业都是在绝密中起步的。而核聚变事业一诞生就在阳光下，它是在国际合作中起步的。”张有鹏也因此对核聚变的未来格外乐观。作为一位核裂变小型化的专家，他调侃自己研究的熔盐堆、液态金属堆是“夕阳产业”，认为“核裂变能量依然是人类尺度的能量”，而“核聚变是星际级别的能量，将把人类文明升高一个维度”。
如果核聚变有机会成为一个人类自我实现的预言，“到了理想国一般的核聚变时代，人类将彻底解决能源问题，也就永远地解决了战争、污染、疾病、贫困等所有的人类社会病。”张有鹏的这番畅想，大概是很多人的内心愿景。
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