能源危机是人类未来发展面临的重大挑战之一，而可控核聚变技术被认为是解决能源危机的终极方案。2023 年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室宣布，首次实现了可控核聚变 “点火”，即聚变反应产生的能量大于输入的能量。这一突破让全球瞩目，人类离无限清洁能源还有多远？可控核聚变技术还面临哪些挑战？
先搞懂：什么是可控核聚变 “点火”？
核聚变是指轻原子核（如氢的同位素氘和氚）在极高温度、极高压力下融合成重原子核（如氦），同时释放出巨大能量的过程。太阳和其他恒星的能量来源就是核聚变反应。可控核聚变，就是通过人工手段，控制核聚变反应的过程，让能量能够稳定、持续地释放，从而用于发电等实际应用。
而可控核聚变 “点火”，是可控核聚变研究的一个关键里程碑。它指的是核聚变反应产生的聚变能量，大于为引发反应所输入的能量，实现了能量的净增益。在此之前，全球所有的可控核聚变实验，都是输入的能量大于输出的能量，无法实现能量净增益。2023 年美国的实验中，科研人员向靶丸输入了 2.05 兆焦耳的能量，最终产生了 3.15 兆焦耳的聚变能量，能量增益达到了 1.53，首次实现了真正意义上的 “点火”。
技术路线：惯性约束与磁约束的竞争
目前，可控核聚变的主要技术路线有两种：惯性约束核聚变和磁约束核聚变。美国此次实现 “点火” 的实验，采用的是惯性约束核聚变技术。这种技术通过高功率激光束聚焦于一个微小的氘氚靶丸上，使靶丸在极短的时间内被加热和压缩，达到核聚变所需的高温高压条件，从而引发核聚变反应。
而磁约束核聚变技术，则是通过强大的磁场将高温等离子体约束在环形真空室中，避免等离子体与装置壁接触，从而维持核聚变反应的持续进行。中国的 EAST 装置、国际热核聚变实验堆（ITER）等，采用的都是磁约束核聚变技术。两种技术路线各有优势：惯性约束核聚变技术的实验装置相对小型化，但难以实现持续的能量输出；磁约束核聚变技术更容易实现持续反应，但装置规模庞大，技术难度较高。
后续挑战：从单次点火到持续发电
尽管可控核聚变 “点火” 成功是一个重大突破，但要实现商业化发电，还面临着诸多巨大的挑战。首先是实现持续的能量输出。美国此次的实验，只是实现了单次的核聚变反应，持续时间仅为十亿分之一秒，无法持续稳定地输出能量。要实现发电，需要让核聚变反应持续进行 minutes 甚至 hours 级别，这需要解决等离子体的长期约束和稳定控制问题。
其次是提高能量增益和效率。目前的能量增益虽然达到了 1.53，但这只是聚变能量与激光输入能量的比值。如果考虑到整个实验装置的总能耗，如激光发生器的能耗、制冷系统的能耗等，实际的能量增益仍然为负。要实现商业化发电，能量增益需要达到几十甚至上百倍，同时还要提高装置的运行效率。
此外，还有材料和成本的问题。核聚变反应会产生大量的高能中子，这些中子会对装置材料造成严重的辐照损伤，需要研发能够承受中子辐照的耐高温、耐腐蚀材料。同时，可控核聚变装置的建设和运行成本极高，目前的实验装置成本都在数十亿美元以上，要实现商业化，必须大幅降低成本。
应用前景：改变全球能源格局
如果可控核聚变技术能够实现商业化应用，将彻底改变全球的能源格局。首先，可控核聚变能源是一种清洁、无限的能源。氘可以从海水中提取，1 升海水中的氘完全聚变释放的能量相当于 300 升汽油燃烧的能量，全球海水储量中的氘足够人类使用数十亿年；而且核聚变反应不会产生温室气体和放射性废物，对环境几乎没有污染。
其次，可控核聚变能源可以保障能源安全。它不依赖化石燃料，不受国际能源市场波动的影响，能够为各国提供稳定、自主的能源供应。此外，可控核聚变发电站的选址更加灵活，不需要依赖煤炭、石油等资源的分布，也不需要像水电站、风电站那样受地理环境的限制。
可控核聚变 “点火” 成功，让人类看到了无限清洁能源的希望。但从单次实验到商业化发电，还有很长的路要走。预计到 2050 年，可控核聚变技术可能实现初步的商业化应用。当 “人造太阳” 真正为人类提供能源时，是否会彻底解决全球的能源危机和环境问题？让我们期待这一天的到来。
