发令枪

开始赚了：净能量增益

消息是英国《金融时报》最先捅出来的：美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆，12月13日要在华盛顿宣布一项“重大科学突破”。

科学家透露，隶属于美国能源部的加州大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室，首次在聚变反应中，获得了比用于点燃反应的能量更多的能量，实现“净能量增益”。

就像投资的钱挣到了更多的钱，投入的能量，挣到了更多能量。

挣到了多少？据《华盛顿邮报》说，产生了约120%的能量。

人类第一次做到这一步，就像黑暗中射入了一道光。

“这几乎就像是发令枪响了。”麻省理工学院等离子体科学与聚变中心主任丹尼斯·怀特教授说。

“这太让人兴奋了。”加州大学伯克利分校核工程副教授李·伯恩斯坦说，“他们用名叫‘国家点火装置’的大型激光器，建立了一个热核聚变系统，产出的能量超过投入的能量。”

国家点火装置是世界最大激光器，1997年开工，2009年建成的，花了35亿美元，2010年开始实验。

原理

太阳

太阳已烧了50亿年，据说还有50亿年可以燃烧。

就算太阳上全是煤，也只能烧2500年，而且也烧不到2000万℃的高温（太阳中心温度）。它为什么可以这么持久这么猛？

科学家通过研究太阳的光谱发现，太阳是由氢元素和氦元素组成的，太阳在不间断地进行核聚变：

每秒钟有6亿吨氢在高温高压下聚合成氦，同时释放出巨大能量。

每秒释放出的能量，相当于900亿颗百万吨级的氢弹一起爆炸。

氢弹

1945年8月6日，美国在日本的广岛和长崎扔下了两颗原子弹，爆炸产生巨大威力。

1952年11月1日，美国在马绍尔群岛爆炸成功氢弹，其威力是广岛原子弹的500倍。

原子弹是通过核裂变释放能量的。重核子（如铀或钚）在中子轰击下产生裂变，分成较轻的核子，同时释放更多中子，造成不受控的连锁反应。

氢弹是通过核聚变释放能量的。轻核子（如氘或氚）瞬间结合成较重的元素（如氦），同时释放大量能量。

聚变核武也称热核武器，因为它们的连锁反应需要摄氏几百万度的高温激活——在氢弹中，原子弹成了“引爆器”。

核电站

原子弹和氢弹威力如此巨大，一方面让人恐惧，另一方面却让人兴奋——如果将核裂变和核聚变产生的能量控制起来加以利用，那可以发多少电？于是，核电站出现了。第一座核电站在1954年6月27日开始发电，它就是苏联在卡卢加州建造的奥布宁斯克核电站。通常所说的核电站，是能过核裂变获取能量的，是裂变核电站，使用的原料是铀和钚。目前正在研究中的热核反应堆，则试图用核聚变获取能量，是聚变核电站，使用的原料是氢。地球号称“水球”，储水量约14亿立方千米。一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成，可见，地球上有着非常丰富的氢资源。轻元素的结合，才能放出“聚变能”；像铁这样中等质量的元素，无论聚变还是裂变，都不能放出能量；重元素比如铀，在裂变时放出能量。

氘与氚最容易实现的聚变反应，是氢的同位素氘（读如“刀”）与氚（读如“川”）的聚变（同位素就是具有相同原子序数而质量不同的核素。每种元素都有多种同位素，它们的化学性质几乎相同）。氘与氚发生聚变，将两个原子核结合成一个氦原子核。结合过程中，放出一个中子，以及17.6兆电子伏特能量。海水中，大约每6500个氢原子中有一个是氘原子，每升水中有30毫克氘，发生聚变后，可产生的能量相当于300升汽油。一座1000兆瓦的核聚变电站，每年需要304公斤氘。据计算，用这种方式发电，海水中的氘，够人类使用60亿年。自然界中的氚，是宇宙射线的产物，只有几千克。氚可以用锂制造。锂主要有锂-6及锂-7两种同位素。锂-6吸收一个热中子后变成氚，锂-7吸收一个快中子后也变成氚。

万亿分之三毫米

原子核都带正电，互相排斥，两个原子核越近，静电斥力也就越大。但近到相距万亿分之三毫米时，它们的核力起作用，吸引力超过静电斥力，两个原子核就聚合到一起，同时释放出巨大能量。

这就是核聚变的原理。

氢的同位素质子数最少，只有一个，所以互相间静电斥力最小，其中氘-氚聚变又最容易。

这是科学家为什么首先考虑氘-氚聚变的原因。

用核聚变方式发电，不是打仗时扔氢弹，而是要发电，那就要将核聚变的能量控制起来，才能利用。

国家点火装置

五大难题

上亿摄氏度高温

要让两个原子核接近到万亿分之三毫米，必须使它们处于等离子状态运行，互相撞击。这需要超高温。

要控制核聚变反应，就要限制规模，有节奏地进行。科学家认为，可行的办法是，控制核聚变燃料的加入速度和每次加入的数量。

因此，核聚变装置中，气体密度只能在常温常压下气体密度的几万分之一，对能量的约束，也要有足够长的时间。

比如，一个箱子中装的乒乓球越多，乒乓球互撞的概率越大。但不能让乒乓球密集碰撞，免得无法控制，发生氢弹爆炸，那就要减少乒乓球数量。乒乓球太少，但又必须让它们碰撞，这样就要让乒乓球加快运动。

在核聚变装置中，加快运动的方法是提高温度。

温度如果有太阳中心那么高，在充满氢的太阳上是足够发生聚变反应了，在人类发电用的核聚变反应堆中则不够，需要上亿摄氏度的高温。

激光点火

这样高的温度，怎么达到呢？氢弹是用原子弹爆炸来“点火”的，可是总不能向热核反应堆扔个原子弹吧，那样的话，温度有了，其他什么都没了。

这是核聚变首先遇到的难题。

科学家的办法是用激光“点火”。激光输出功率达到100万亿瓦时，就可以点燃核聚变，使物质达到极高温。

装太阳的托卡马克

高温是获得了，更难的难题也来了：

怎么让高温保持一段时间以便达到聚变？

这就像是说，用什么材料做成的容器，才可以装下太阳？用什么容器，才装得下比太阳温度更高的东西？

这样的容器名叫托卡马克。苏联物理学家塔姆在上世纪50年代提出建造这一容器的设想：将强电流产生的极向磁场，与环形磁场结合，来约束高温等离子体。

另一名苏联物理学家阿奇莫维奇试做了几个。他先是在环形陶瓷真空室外，绕很多线圈，用电容器放电，使真空室形成环形磁场。同时用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。

后来用不锈钢代替陶瓷，改进线圈工艺，增加线圈。终于，他成功造出了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇把它命名为托卡马克。

托卡马克是俄语中“环形”、“真空”、“磁”、“线圈”几个词的组合，意思是环流磁真空室。

托卡马克中形成的磁场，又叫磁瓶或磁笼，它不接触有形的物体，因此不怕高温，可以把超高温的等离子体举在空中。

抓住高温等离子体

托卡马克同时解决了第三个难题：等离子体扩张问题。

超高温的等离子体，有强烈向外扩张的特性，必须约束住它们，绝对不让它们与四周容器壁接触。

托卡马克的总磁场，由大小两个磁场叠加而成：

一个是沿大环形的圆形磁场，磁力线沿大圆环旋转；

另一个是沿圆环截面的小环形弱磁场，磁力线沿小圆环缓慢旋转。

这样磁力线形成螺旋线。正离子和电子在磁场中各绕一圈，互换了位置，但整体还是保持电中性。

在磁场约束下，高温等离子体不会向外逃逸，也就不会破坏托卡马克的装置。

普通托卡马克装置体积庞大，效率也较低。上世纪末，科学家把新兴的超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。

放电时间

可控核聚变的第四大难题，是放电的持续时间。

以前，世界上大多数托卡马克装置都是数秒级的放电，后来法国的超导托卡马克Tore-Supra，在世界上首先取得这方面的重大成果，第一次将放电时间延长到120秒。2004年4月，中国的HT-7超导托卡马克达到了240秒，2022年超过1000秒。

买卖总是从蚀本开始

上世纪70年代后，世界上掀起了托卡马克的研究热潮。到80年代，美国、欧洲、日本和苏联各自建造了一个大型托卡马克。这4个托卡马克，在可控核聚变研究上，都做出了极其重大的贡献。

建在英国的欧洲联合环（JET）是由14个欧洲国家合资的。

1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到3亿摄氏度，聚变能量约束时间达2秒，反应持续1分钟，产生1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。1997年9月，又创造了新纪录：输出功率达12.9兆瓦，达到输入功率的60%。

——60%？输入100瓦，输出60瓦？这不是蚀本买卖吗？

技术成熟前当然没法赚。

这就像一个民间故事：

有个新媳妇，因为丈夫随公公去种稻，有事情不解，问婆婆：“婆婆婆婆，你说他们去种稻，收割时，稻谷是多了还是少了？”

婆婆说：“你傻不傻啊？炒冷饭也是要蚀的，种稻能不蚀吗？”

我们知道炒冷饭固然会使饭的体积变小，但种稻是要增量的，古人说：“春种一粒粟，秋收万颗子。”如果“春种两粒粟，秋收一颗子”——聚变发的电还不如用掉的电多，肯定不行。

所以，第五大难题是，如何让核聚变在能量上不亏损，获得“能量净利润”。

聚变江湖

2005的大项目

2005年6月28日，欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国在莫斯科签订协议，决定国际热核反应堆在法国建设。

建设地争夺激烈。2002年是法国、日本、西班牙和加拿大4国相争，后来西班牙和加拿大退出，剩下法日两国，谁也不肯让谁。

这项目太大了。它是与国际空间站、欧洲加速器、人类基因图谱等齐名的超级大项目，其投资规模仅次于国际空间站。

项目研究中，多学科交叉，涉及的领域包括超导研究、高真空、生命科学、环境科学、密封、等离子计量和控制、信息通信、RF加热技术、NBI加热技术、纳米材料等等学科，实验设备昂贵复杂；项目能否成功，也存在极大风险。

根据协议，欧盟承担该项目40%的费用，法、美、俄、日、韩、中各承担10%。算上法国的份额，欧盟出资共50%。

法国占了大便宜。因为它在能源有重大的战略意义，在科技上能获得各方面提升，还在金融投资、就业乃至外围如旅游产业上，也会有很大收益。

欧盟帮法国击败了日本，日本也获得了优厚的交换条件，得到更大的参与权，20%的建设合同、20%的研究管理职位，以及其他几个国际核科学项目上的优先考虑。

美国为什么不争

热核反应堆建设地，美国不但没有参与竞争，还曾退出。

美国是世界上第一个试爆氢弹成功的国家，核聚变技术实力雄厚，政府也大力支持核聚变项目。

1980年，美国通过《聚变能源工程法》，要在2000年前投资200亿美元，建成聚变示范堆。1982年，美国在普林斯顿大学建成大型托卡马克装置。美国《纽约时报》说，从1952年来，美国在这方面投入了170亿美元。

聚变技术比想像中要复杂得多，进展不快。所以后来美国政府一再压缩拨款，每年只有2亿多美元，追加经费的议案又遭国会拒绝。

钱少，成果也少，美国聚变能顾问委员会只得于1996年改变计划，将这个项目从技术研究转到基础科学研究。这一改变，就无法获得必要的拨款。于是，美国在1998年退出热核反应堆计划，以观察员身份参加会议。

这是对这一计划的重大打击，各国也相应调低了拨款。

进入21世纪，聚变技术研究上取得突破性进展。2003年2月18日，美国才重返这一项目。中国也在这一天，作为全权独立成员加入。

这个反应堆发不发电

理论上说，聚变核电站一天只要用1千克氘和10千克锂，就可以发出1000兆瓦功率的电。

同样发这么多电，裂变核电站需要500千克铀，火力发电站需要1万吨煤。

在法国落户的国际热核反应堆，要建成一个功率可达500兆瓦、时间持续300秒以上的聚变反应堆。它建成后发不发电呢？

法国《费加罗报》说，不发电。它只是一个研究工具，目的是找到聚变的最佳条件，将来并不会连接电网。

等研究有了成果，将建立一个名叫“Demo”的聚变发电装置，比国际热核反应堆大20%。不过据估计，最快也要到2035年开始建造Demo，人们要用上“聚变电”，恐怕要等到2050年，甚至更久。

上百个托卡马克

国际热核反应堆计划，始于1985年。当时的美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫，在一次首脑会议上提出倡议，开展一个核聚变研究的国际合作计划。后来，两位领导人与法国总统密特朗又为此碰了几次头。

1987年，国际原子能机构邀请欧共体、美国、苏联、加拿大和日本的代表，在维也纳开会讨论，达成了四方合作设计建造国际热核实验堆的协议。

可是计划在十年中遭到两次重大打击：1989年苏联解体；1998年美国退出该计划。

受到这两次重击后，欧共体国家和日本就成为这个计划的主体力量。

研究在继续。据报道，到21世纪初，全世界有30多个国家和地区在研究核聚变，运行的托卡马克装置有上百个。

这一行没有秘密

有人说，核聚变技术这一行，几乎没有秘密可言，因为核聚变研究太难了，在现有技术条件下，别人能做到怎样，你也只能做到怎样。

因此，在托卡马克聚变这一行中，不仅信息共享，就连设备和材料也可以共享。比如HT-7超导托卡马克以及许多附属设备，是苏联和欧美各国闲置不用而赠送的，而中国做实验时，各国同行也可以参与。

LCF

三大门派

也有不走托卡马克这条路的。

《大众机械》2020年9月的文章说，NASA用了一种新方法，叫做“晶格约束核聚变（LCF）”，迈出了小小的一步。

它是在固体金属晶格中发生聚变，聚变发生在原子之间的狭窄通道中，降低两个原子核的排拆度。据说，LCF可能会更便宜，更小，更安全。

“燃料密度是托卡马克聚变反应堆的10亿倍”，因此引发聚变所需的能量会大大降低。

NASA说，这可以作为托卡马克项目和仿星器项目的代替方案。

仿星器（Stellator，恒星）最早是普林斯顿科学家莱曼·斯皮策在1951年提出的，这个概念在当时过于复杂，他当年自己建造了第一个装置。斯皮策的另一个神奇脑洞是1946年提出的太空望远镜。

2015年德国启动了一个仿星器，可以模拟太阳内部环境。

据说普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）2020年提出了永磁体与平面线圈结合的方案，可大大地简化和降低成本。

托卡马克、仿星器、晶格约束，也许可以列为核聚变三大门派。据说托卡马克与仿星器有混合的趋势。

仿星器

未来

会不会核泄漏？

通常说，热核反应堆发电，有三大好处：一是原料取之不尽，二是没有污染，三是没有核泄漏危险。

这些是不是真的？

一，取之不尽？

地球上有40万亿吨氘。聚变反应中需要的锂，在自然界较少，也要从海水中提取，难度比氘大。而锂必须变成氚，才能与氘发生聚变。地球上有2000多亿吨锂，虽然比氘少得多，但也非常丰富。

将来如果研究出氘-氘聚变，锂的问题就不存在了。

二，没有污染？

污染是有的。与普通的裂变核电站不同，聚变不产生千年不分解的核废料，因此可以说清洁能源。

但聚变会产生寿命较短的辐射物质，需要对反应堆定期维护。

据报道，聚变反应堆产生的废料，从数量上说，与同等功率的裂变核电站相当。与核电站一样，聚变反应堆不产生加剧温室效应的气体。

三，核泄漏？

国际热核反应堆的磁环，800多立方米中，只装几克氘和氚。如果环形装置内部平衡被打破，聚变就骤止。

因此聚变反应堆不会发生像切尔诺贝利核电站那样的重大泄漏事故，对环境和周围居民不构成威胁。

预言常数：30

2002年7月，美国《纽约时报》一篇文章宣称，“发现”了核聚变研究的“一个新的普适常数：30”。

文章说，这个常数30不断被虔诚地引用，每次都宣称：从现在算起，在30年后将实现聚变堆商业化运营。

在核聚变研究一开始，人们就预言，30年后可投入实用。30年过去了，研究却难以持续；

上世纪70年代，科学家改进了约束磁场的位形，各国掀起新的研究热潮，争建大型托卡马克，人们又看到希望，预言30年后就能发电。30年又过去了，托卡马克还是没能稳态运转；

随后，希望又来了，实现了氘-氚的核聚变，于是，30年后能投入商业运营的预言又出现了。

但每次研究或预言的高潮，总是伴随着技术的进步。所以，30年后是否成功尚在其次，重要的是，这条寻找新能源之路，也许真的能走通。

家中电器，何时能用聚变电？

那么，我们什么时候能用上核聚变的电力？

伯恩斯坦说，要能实际应用，为电网供电，需要更多的实验和大规模复制，需要几年或几十年。但聚变科学在加速发展，他说：“一年或15个月后会发生啥，我也不晓得。”

罗彻斯特大学教授、激光聚变专家里卡多·贝蒂说，聚变反应中获得了净能量非常重要，但这一成果到获得可持续电力，路还很长。

“你还是没发动机，你还是没轮胎。”贝蒂说，“你不能说你有车。”

橙柿互动记者 钟松君