可控核聚变：人造太阳的百年追梦

为什么是聚变？

太阳的能量来自核聚变：每秒钟，太阳核心将约6亿吨氢聚变成氦，损失约400万吨质量——按照E=mc²，这些质量转化为巨大的能量。

如果人类能在地球上复制这个过程，就能获得几乎无限的清洁能源。聚变燃料——氘和氚——在海水中的储量极大（氘约40万亿吨），一升海水中的氘聚变释放的能量相当于300升汽油。聚变产物是无害的氦，不产生长寿命放射性废料，不排放温室气体。一次事故也不会有"熔堆"风险——反应堆中燃料量极少，任何异常都会让反应自动停止。

这就是为什么可控聚变被称为"能源的圣杯"。

为什么这么难？

聚变需要将两个轻原子核融合成一个重核。但原子核带正电，同性相斥——要把它们推到足够近的距离，让核力起作用，需要极高的温度和压力。

太阳核心温度约1500万摄氏度，加上巨大引力产生的极高压，聚变得以缓慢进行。地球上没有那样的高压条件，只能把温度推到更高——至少上亿度。

在上亿度下，物质处于等离子态——电子被完全剥离，原子核和电子各自自由运动。要把这种等离子体约束住，不让它碰到器壁（一碰就冷却，反应中止），有两种主流方法：

磁约束聚变

用强磁场把等离子体"悬浮"在真空容器内。最成功的构型是托卡马克——一个环形的"甜甜圈"形真空室，外面缠绕超导线圈产生磁场。等离子体在磁场约束下做环形运动。

惯性约束聚变

用高功率激光从多个方向同时照射一个微小的燃料靶丸。激光使靶丸外层极速蒸发膨胀，反作用力向内压缩靶芯至极高密度高温，引发聚变。美国国家点火装置（NIF）使用的就是这种方法。

里程碑：净能量

2022年12月，美国国家点火装置宣布实现了"净能量增益"——聚变释放的能量超过了激光输入的能量。这是历史性的突破。但需要说明的是，这只是"靶增益"，不算整个装置的能量输入——驱动激光器的电效率极低，整体仍然远未达到净能量。

2023年4月，中国EAST（全超导托卡马克核聚变实验装置）实现了403秒的1.2亿度高约束模式运行——持续时间的世界纪录。

法国卡达拉舍的国际热核聚变实验堆（ITER）是有史以来最大的聚变装置，由包括中国在内的7个成员方联合建设。ITER的目标是验证聚变作为能源的技术可行性，期望实现10倍能量增益（输出500兆瓦，输入50兆瓦）。项目虽然多次延期，预算大幅超支，但工程仍在推进。

还有多少路？

尽管聚变研究取得了显著进展，"30年后实现聚变发电"这个笑话已经讲了50年。乐观的估计是2040-2050年间可能有示范电站。但仍有几道难关：

- 长时间稳态运行：当前实验装置大多只能维持数秒到数分钟。发电站需要连续运行。
- 材料：聚变堆器壁承受高能中子轰击，现有材料在几年内就会脆化、肿胀。抗辐照材料是尚未解决的关键技术。
- 氚自持：氚在自然中极少（半衰期约12年），聚变堆需要用中子轰击锂"生产"氚。这个"氚工厂"是否能在堆内实现自持，尚未验证。
- 成本：即使技术可行，商业化也需要大幅降本。

私营聚变

近年来一批私人创业公司涌入聚变领域，提出各种紧凑化、模块化的新方案。Commonwealth Fusion Systems、Helion Energy、TAE Technologies等公司都在快速推进，宣称2030年代就能实现商业化。这些私营方案通常比ITER更"激进"——更小、更便宜，但技术风险也更大。

结语

聚变是少数几个"如果成功，改变一切"的技术之一。它不会是唯一的未来能源——太阳能、风能、裂变核能都将有各自的位置——但它是唯一一种理论上有潜力满足人类数千年能源需求的清洁方式。

追梦百年，也许这个梦即将成真。也许不会在我们这一代完全实现，但每一步都在缩短与那个目标的距离。把一颗"太阳"装进发电厂——这个雄心壮志本身就是人类探索精神的最好证明。

> 本文选题参考自《自然》(Nature) 杂志。更多精彩科学报道请访问 [Nature 中国官网](https://www.nature.com/china/)。