中美“激战”核聚变｜钛媒体深度

核聚变反应堆内部构造（来源：美国能源部）

钛媒体编辑丨林志佳

美国科学家在被誉为“人造太阳”的核聚变能源领域，取得重大科学技术突破，使我们离近乎无限清洁能源的潜在来源又近了一步。

北京时间12月13日23点，美国能源部和美国国家核安全局（NNSA) 联合宣布，加州劳伦斯利佛摩国家实验室（LLNL）科学家采用“惯性约束聚变”方法，即用世界上最大的激光撞击一个微小的氢等离子体颗粒，使用实验性质的核聚变反应炉，在过去两周的一次可控聚变实验中实现聚变点火，获得了“净能量增益”（Net Energy Gain）（Q＞1）。

美国能源部表示，本次国家点火装置（NIF）通过192束激光器，将超过200万焦耳的紫外线能量传送到一个微小的燃料颗粒，以产生聚变点火，实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。

据媒体报道，整个实验设施耗资35亿美元，最新实验数据分析仍在进行中。

这一技术成果有三大里程碑式突破：首次证明了惯性聚变能 (IFE) 的基础科学能力；美国正朝着核聚变发电厂建造，以及无限、零碳能源的目标迈出了关键一步；有望应对世界能源价格高企和迅速减少化石燃料燃烧的需求。

今年12月5日，LLNL国家点火设施的靶室正在产生聚变点火（来源：美国能源部，图片略经调色）

“这是伟大的一天，这项成就将载入史册，”美国能源部长格兰霍姆（Jennifer Granholm）表示，这是一项具有里程碑意义的成就。NIF研究人员和工作人员让聚变点火成为现实，无疑将激发更多发现。她还指出，这一研究工作将帮助我们解决人类最复杂和最紧迫的问题，比如提供清洁能源来应对气候变化，以及在没有核武器的情况下维持核威慑力测试。

“这次美国的点火装置实现了输出大于输入，因输出有聚变能，输入的是激光能量。实验成功的标志就是出大于入。所以，这次是一个进展，他们要发布的就是这个。但离商用能源还远，主要因为总的效率太低，他们肯定拿能源说事。”一位资深核物理学家如此评价，“中国也在做类似工作，目前进展全球范围中美领先，应该说是美国走在我们前面。”

实际上，相较于美国，中国在可控核聚变方面已多方位布局，实现了世界领跑。今年10月，中国“人造太阳”装置的等离子体电流突破100万安培，创造新纪录；国内多家核聚变研究的民营企业今年获得了风投机构的青睐，红杉中国、蓝驰创投、中科创星、蔚来资本、联想之星等机构早已跑步进场。

作为全球最重要的两大经济体，在未来净核聚变、零碳共同目标下，中国和美国正就“可控核聚变”领域展开技术创新竞争。过去这一年，中美等全球资本向这一领域投资也已接近200亿元，较上一年比增长了139%。

实际上，随着化石能源日渐稀缺，以及降低温室气体排放等碳中和碳达峰目标，利用核反应产生能量的核能和平开发利用逐渐受到重视。

据国际原子能机构给出的定义，“核聚变”是模仿太阳的原理，使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变产生的能量非常大——是核裂变反应的四倍。

理论上，只要有几克反应物，就有可能产生一太（万亿）焦耳——这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。

（图片来源：国际原子能机构）

尽管许多科学家认为核聚变发电站还需要几十年的时间，但这项技术的潜力不容忽视。

与化石能源相比，核聚变反应不排放二氧化碳。而与目前广泛应用的核能（核裂变）相比，核聚变不会产生核废料，辐射也极少，理论上可以至少为一所房子提供数百年的电力。

核聚变是大自然最普遍的能量来源。一旦能够实现可控的核聚变，人类将获得几十亿年取之不尽的能源，其重要性不言而喻。因此，核聚变技术被视为清洁能源的“圣杯”。

自20世纪50年代以来，物理学家一直试图利用为太阳提供动力的核聚变反应，但没有一个小组能够从核聚变反应中产生比其消耗更多的能量。

过去的几十年里，热核聚变研究形成了两大技术分支：一是磁约束聚变，主攻方向是托卡马克装置，比如中国的东方超环 (EAST) 、国际热核聚变实验堆(ITER)等装置；另一研究分支是惯性约束聚变，包括激光聚变、轻重离子束聚变及其它装置。

1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，时任美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫在瑞士日内瓦峰会上倡议，由美国、苏联、欧洲、日本共同启动ITER计划，以携起手来探索人类未来核能和平利用。

2001年11月，ITER计划实施的谈判开始，中国也开始与三方接触。2003年，中国和韩国加入该计划。

ITER组织成员国合影

直到2006年11月，ITER计划的投资方国家才最终确定——中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共七方联合投资建造，计划2025年实现第一次等离子体放电。而2020年8月，ITER聚变设施的组装启动仪式正式在法国举行。

截至目前，ITER计划是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，目的是通过建造反应堆级核聚变装置，验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性。

在高达180亿欧元（约合1324.34亿元人民币）的项目总投入中，欧盟作为东道主出资45%，美国、中国、日本、俄罗斯、印度和韩国各出资9%。

根据规划，ITER的工厂将产生大约500兆瓦的热能，如果持续运行并与电网相连，这将转化为大约200兆瓦的电力，足以供应大约20万个家庭。最终目标是要建造一个可自持燃烧（即“点火”）的托卡马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题作深入探索。

ITER结构图（图片来源：券商研究报告）

ITER装置运行与发展大体分为三个阶段：

第一阶段：主要目标是建设一个氘、氚燃烧能产生5×105 kW聚变功率、聚变增益系数Q=10、脉冲维持大于400s的托卡马克聚变堆，将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘、氚燃烧等离子体，供科学家和工程师研究其性质和控制方法；

第二阶段：将探索实现稳态高约束、高性能“先进燃烧等离子体”，聚变增益系数Q=5、脉冲维持大于3000s，从而更快建造托卡马克型商用聚变堆。

第三阶段：探索实现高增益的燃烧等离子体，接近商用聚变堆的建造目标；以及包括进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。

据媒体报道，美国、印度近几年已经不再向ITER计划投资，只给了国内采购包的经费，普遍预计这一设施进展将被推迟。目前，ITER计划已汇集了全球35个国家力量，这些国家占世界人口的60%以上，占全球国内生产总值的80%以上。

尽管ITER计划已经囊括全球大部分国家和机构，地球上的很多人都能在其中获得未来无限能源分享。但是，有实力的发达国家和发展中国家都希望在这场“核聚变竞争”中获得技术领先，因此，美国等50多个国家开始单独开展核聚变和等离子体物理相关技术研究。