美國將宣布「重大科學突破」，媒體稱首次實現核聚變的凈能量增益

·美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在最近的一次聚變實驗中獲得了凈能量增益，核聚變產生的能量超過了輸入的激光能量。這一成果將提高美國在不進行核試驗的情況下維持其核武器的能力，有朝一日也可能將激光核聚變作為零碳能源的來源。

·即便美國科學家實現了核聚變反應的凈能量增益，也不意味着我們很快就能擁有廉價的核聚變能源，距離商用還很遠。

一名技術人員在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置的前置放大器支持結構內。圖片來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室

美國東部時間12月13日10時，美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆（Jennifer Granholm）和負責核安全的副部長吉爾·赫魯比（Jill Hruby）將宣布「一項重大科學突破」。

出席這場新聞發佈會的包括美政府多個機構官員，包括白宮科學和技術政策辦公室主任阿拉蒂·普拉布哈卡（Arati Prabhakar），以及美國國家核安全管理局和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的官員。

英國《金融時報》12月12日報道稱，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家在核聚變能源領域取得突破，首次實現核聚變反應的凈能量增益——從核聚變反應中產生的能量比其消耗的能量更多，這朝無限的零碳能源目標邁出關鍵一步，未來或將帶來豐富的能源來源。

美科學家在核聚變能源領域取得突破

《金融時報》報道稱，位於加州的聯邦勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在過去兩周的一次聚變實驗中獲得了凈能量增益，核聚變產生的能量超過了輸入的激光能量。

該實驗室採用了慣性約束聚變方法，即用世界上最大的激光撞擊一個微小的氫等離子體顆粒。美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）的核聚變反應產生了約2.5兆焦耳的能量，約為激光器2.1兆焦耳能量的120%，相關數據仍在分析中。

兩名知情人士表示，能量產出超出了預期，這損壞了一些診斷設備，使得分析工作變得複雜。知情人士還表示，科學家們已經在廣泛討論這一突破。

另據《紐約時報》12日報道，一位不願透露姓名的政府官員說，NIF的聚變實驗實現了點火，也就是產生的聚變能量大於啟動反應的激光能量。點火也稱為能量增益。一位熟悉結果的科學家也證實，NIF已經實現了點火。報道稱，這種發展將提高美國在不進行核試驗的情況下維持其核武器的能力，有朝一日也可能將激光核聚變作為零碳能源的來源。

長期以來一直批評NIF的退休等離子體物理學家斯蒂芬·博德納（Stephen Bodner）表示，一位科學家朋友給他發信息說，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室實現了凈能量增益，將在周二宣布結果，「他們實現了目標，值得表揚。」

受控核聚變示意圖。圖片來源：FT

什麼是核聚變？

核聚變反應是宇宙中的普遍現象，它是恆星（例如太陽）的能量來源。

核聚變是將兩個較輕的核結合而形成一個較重的核和一個很輕的核（或粒子）的一種核反應形式。兩個較輕的核在融合過程中產生質量虧損而釋放出巨大的能量，兩個輕核在發生聚變時因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發生核反應，這個反應叫做核聚變。

太陽和許多恆星的內部溫度高達千萬攝氏度以上，每時每刻都在發生着劇烈的核聚變反應。太陽每秒放出的能量約為3.9×10^26焦耳，雖然到達地球表面的僅為太陽每秒釋放能量的10億分之一，但這也是巨大的能量，正是這個能量，才使得地球上的一切生命活動成為可能。

核聚變能也是全世界能源發展的前沿方向，核聚變能由於其燃料來自海水、效率是化石能源的千萬倍、沒有長期的核廢料、沒有碳排放等特點，因此被視為未來社會的「終極能源」。如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環境危機的困擾。

可控核聚變所需要的原料是氫元素中的兩個同位素氘和氚。氘可從海水中提取，氚可以由地球上儲量非常豐富的鋰生成。一立方公裏海水所含的氘經過聚變反應產生的能量就相當於地球上所有石油儲備產生的總能量。

但人類若想要在地球上成功實現受控熱核聚變反應，從而獲得巨大能量，就必須創造三個必要條件。一是極高的溫度，以使氘氚燃料成為超過1億攝氏度的熱等離子體；二是極高的密度，以使氘氚原子核發生量子隧穿的概率變大，而且便於將聚變產生的阿爾法粒子能量留下來繼續參與核聚變反應；三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長時間。

到目前為止，人類對受控核聚變的研究主要分為兩類。一是磁約束核聚變，也就是用特殊形態的磁場把氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處於熱核反應狀態的超高溫等離子體約束在有限的體積內，使它受控制地發生大量的原子核聚變反應，釋放出能量，典型的實驗裝置如中科院合肥物質科學研究院的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）。二是激光核聚變，這是以高功率激光作為驅動器的慣性約束核聚變，典型實驗裝置如我國的神光激光裝置和美國的國家點火裝置。

人類很快就能擁有廉價的核聚變能源嗎

耗資35億美元的美國國家點火裝置位於勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，最初是為了通過模擬爆炸來測試核武器，後用於推進聚變能研究。支持者認為，它可以推進核聚變研究，從而可能建成商業電站。

佔地面積有三個足球場大的NIF採用中心點火激光核聚變方案，由192個巨大的激光器組成，它們同時向一個金屬圓筒發射。圓筒被加熱到約282萬攝氏度，產生X射線內爆，加熱並壓縮氘氚燃料，引發核聚變。

NIF從2010年開始正式的點火實驗。2014年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家獲得成果，但當時產生的能量非常小，相當於一個60瓦的燈泡在5分鐘內消耗的能量。2021年NIF在一次聚變反應中產生了1.37兆焦耳的能量，約為那次激光能量的70%，是世界上最接近凈能量增益的一次。

不過，據《自然》今年7月報道，美國科學家後來未能複製2021年創紀錄的實驗，反覆嘗試的結果最多只能達到去年年底能量的50%。這凸顯了研究人員無法精確地理解、設計和預測這些能量下的實驗。今年早些時候，研究人員改變了方向，開始重新考慮他們的實驗設計。

當核聚變輸出的能量和輸入的能量達到平衡點，下一步就是要朝輸出能量大於輸入能量百倍的里程碑目標努力。當聚變反應的輸出能量大於輸入能量百倍時可以探索建立商用電站。

因此，即便美國科學家實現了核聚變反應的凈能量增益，也不意味着我們很快就能擁有廉價的核聚變能源。據《紐約時報》報道，NIF的激光器效率非常低，一次實驗只研究了一次激光爆發，而實際的核聚變發電廠需要機關槍一樣的激光爆發速度，每次爆發都有新的靶丸滑動到位，然後從聚變反應中飛出的中子流必須轉化為電能。NIF相當於三個足球場那麼大，對於商業發電廠來說太大、太貴、效率太低。

科技媒體The Verge評論稱，無論美國政府13日會宣布殊么，「即使在最樂觀的情況下，核聚變的任何潛在現實世界利益都可能還有等待十多年。看起來我們仍然不太可能及時依靠核聚變能源來使我們擺脫氣候危機。但這是很酷的科學，人們可以有夢想。」

彭博社的文章則稱，從科學角度來看，這一進展是令人振奮的。自20世紀50年代以來，研究人員一直在嘗試使核聚變發電發揮作用，到目前為止每一次努力都以失敗告終。雖然這個消息是一個了不起的科學突破，但在商業方面還未起步。