當(dāng)?shù)貢r間12月13日，在經(jīng)過一天的預(yù)熱之后，美國能源部（DOE）、美國國家核安全管理局（NNSA）、美國勞倫斯·利弗莫爾（LLNL）國家實驗室聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會，宣布在12月5日的一次實驗中，首次實現(xiàn)了聚變能量超過輸入能量，聚變反應(yīng)的能量增益（Q）大于1。

具體而言，這次反應(yīng)通過激光器輸入了2.05兆焦耳能量，引發(fā)聚變反應(yīng)釋放了3.15兆焦耳能量，Q達(dá)到1.54。這是人類歷史上首次在受控核聚變實驗中實現(xiàn)這一成就，對于受控核聚變研究而言是一個重要里程碑，該消息也引發(fā)了廣泛關(guān)注。但這一技術(shù)要走向商業(yè)化，變成成熟的發(fā)電技術(shù)，依然還十分遙遠(yuǎn)。換言之，在可見的未來，它還不會對人類應(yīng)對氣候變化問題帶來實際貢獻(xiàn)。

美國能源部部長詹妮弗·格蘭霍姆在當(dāng)天的發(fā)布會上稱，這是21世紀(jì)最重要的科學(xué)成就之一。她還在發(fā)布會上強(qiáng)調(diào)，這有助于美國在沒有核試驗的情況下維持核威懾。

勞倫斯·利弗莫爾實驗室的聚變裝置采用的是慣性約束核聚變技術(shù)路線，利用高功率激光來驅(qū)動核聚變，其裝置名為“國家點火裝置”（NIF），占地三個橄欖球場大小，是全球最大的激光裝置。慣性約束核聚變也是當(dāng)前人類進(jìn)行受控核聚變研究的兩種技術(shù)路線之一。

另一種主流技術(shù)路線是磁約束核聚變，也是參與國家更多、研究更廣泛技術(shù)路線，一般通過建設(shè)環(huán)形的托卡馬克裝置，通過磁場來約束等離子體，實現(xiàn)受控核聚變。

聚變由于其發(fā)生原理和恒星內(nèi)部的反應(yīng)類似，受控核聚變也被稱作“人造太陽”，數(shù)十年來一直是人類追求的終極能源解決方案。目前主流的技術(shù)方案中，一般使用氫的同位素氘、氚作為燃料，發(fā)生核融合反應(yīng)，產(chǎn)生出氦和中子，并釋放出能量。

當(dāng)前的核電站以鈾為主要燃料，通過核裂變反應(yīng)來產(chǎn)生能量。相比核裂變，核聚變產(chǎn)生的核廢料半衰期短，安全性高，燃料來源充足，并且同樣不會產(chǎn)生碳排放。但受控核聚變的技術(shù)和工程都還面臨許多挑戰(zhàn)，技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性都還需要漫長的探索過程，因而也常被戲言為“永遠(yuǎn)要50年”才能實現(xiàn)的技術(shù)。

中核集團(tuán)聚變堆技術(shù)首席專家、核工業(yè)西南物理研究院原院長段旭如對《財經(jīng)十一人》表示，從聚變研究角度來說，利弗莫爾實驗室的成就是一個重大突破，實現(xiàn)能量增益超過1很不容易，磁約束核聚變和慣性約束核聚變研究都在追求這一目標(biāo)。以后聚變要實現(xiàn)能源利用，增益因子要比1大很多，但第一步重要突破就是要大于1。

中核集團(tuán)下屬的核工業(yè)西南物理研究院位于成都，目前運行有磁約束核聚變研究裝置中國環(huán)流器二號A（HL-2A）和中國環(huán)流二號M（HL-2M），與位于合肥的中科院合肥研究院等離子體所的東方超環(huán)（EAST）裝置，是我國主要的磁約束核聚變研究裝置。

段旭如介紹，在磁約束核聚變研究領(lǐng)域，此前只有日本的JT-60上實現(xiàn)過等效聚變功率增益因子超過1。所謂等效功率增益因子，是因為核聚變最終用氫的同位素氘（D）、氚（T）反應(yīng)，而JT-60實驗中采用了氘、氘融合，根據(jù)其結(jié)果推斷如果把部分氘換成氚，發(fā)生反應(yīng)能產(chǎn)生多少聚變功率，所以是等效因子。另外，在歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）裝置上實現(xiàn)了59兆焦耳的聚變能量，其增益因子不到1。而此次美國利弗莫爾實驗室點火裝置的實驗，是人類首次在實驗中實現(xiàn)聚變增益因子超過1。

如何點火

美國國家核安全管理局（NNSA）負(fù)責(zé)國防項目的副局長Marvin Adams在發(fā)布會上介紹了國家點火裝置所采用激光核聚變的技術(shù)原理：在一個圓柱形腔體內(nèi)，有一顆直徑大約是BB彈一半的球形燃料膠囊，其中是聚變?nèi)剂稀A柱體兩側(cè)用192束高能量激光打入圓柱體的內(nèi)壁，內(nèi)壁反射出的X光再擊中球形的燃料膠囊，膠囊內(nèi)的聚變?nèi)剂鲜艿綌D壓，產(chǎn)生聚變。產(chǎn)生能量所需的時間，比光傳播1英寸的時間還短。
 

綜合當(dāng)日新聞發(fā)布會及隨后技術(shù)圓桌上參與實驗專家講述的信息，這次聚變中，大約4%的聚變?nèi)剂习l(fā)生了反應(yīng)。在這次聚變中，激光能量提供了2.05兆焦耳（MJ）的能量，釋放出了3.15兆焦耳（MJ）能量，其能量增益達(dá)到了1.54。

若按電力來比較，每千瓦時電力的能量相當(dāng)于3.6兆焦耳。換言之，此次核聚變釋放出的能量相當(dāng)于大約0.875度電，大約可以給一個使用4000毫安時電池的手機(jī)充電40次。

據(jù)參與實驗的專家回憶，此次聚變實驗室在12月5日凌晨1時零3分發(fā)生，隨后實驗人員開始了數(shù)據(jù)分析工作，也邀請了外部專家團(tuán)隊來進(jìn)行同行評估，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，因此在實驗一周后才正式發(fā)布信息。

商業(yè)化還要幾十年

此次聚變實驗盡管突破意義重大，但這一大型激光裝置本身效率很低，驅(qū)動激光裝置的系統(tǒng)能耗高達(dá)322兆焦耳，轉(zhuǎn)換成2.05兆焦耳的激光器輸入能量，然后再激發(fā)出3.15兆焦耳的聚變能量。因此，如果考慮整個系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，還不到1%。

因此，它不僅尚不穩(wěn)定，在工程意義上也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法實現(xiàn)能量的增益，離成為可利用的恒源還十分遙遠(yuǎn)。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室主任Kimberly Budil在發(fā)布會上面回答多久能商業(yè)化的問題表示，商業(yè)化在科學(xué)上和工程上都還面臨許多障礙，這次是成功讓一顆燃料點火一次，要實現(xiàn)商業(yè)化核聚變，需要每分鐘實現(xiàn)很多次點火，需要有一個穩(wěn)固的驅(qū)動系統(tǒng)，也許不需要經(jīng)常說的50年，但也需要幾十年來投入研究才能建成一個商業(yè)聚變發(fā)電站。

勞倫里·利弗莫爾國家實驗室慣性聚變能源機(jī)構(gòu)主管Tammy Ma在當(dāng)日的技術(shù)圓桌中也回應(yīng)了驅(qū)動系統(tǒng)的能量效率問題，她表示，國家點火裝置是一個科學(xué)研究裝置，它的建設(shè)初衷和建一座電站不同，讓每個設(shè)備效率發(fā)揮到極致，并不是設(shè)計考慮的優(yōu)先事項。因此，提高激光供能的設(shè)備效率，對于一個科學(xué)研究設(shè)施來說，并不是最關(guān)鍵的。另外，裝置已經(jīng)有了20年歷史，有許多20世紀(jì)八、九十年代的技術(shù)，其后許多新的模擬、材料、算法等技術(shù)也不斷發(fā)展，更新到了裝置之中。

曾在勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室任過高級顧問的美國Carbon Direct首席科學(xué)家Julio Friedmann的一個評論頗為精當(dāng)，他表示，現(xiàn)在的突破和商用核聚變的差距，就好比點燃了一根火柴到造出內(nèi)燃機(jī)的差距，但這是能源多元化創(chuàng)新必需的一步。

中國、歐盟、美國、日本、俄羅斯、韓國、印度七方參與的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃采用的是磁約束核聚變技術(shù)路線，廠址位于法國。這個項目中，其設(shè)計目標(biāo)是在聚變實驗中通過約50兆瓦的加熱，實現(xiàn)500兆瓦的聚變功率，增益達(dá)到10。

段旭如對《財經(jīng)十一人》介紹，這一增益因子的計算，同樣是聚變功率和加熱功率的比值。要有商用價值，Q值需要超過30。此外，激光驅(qū)動裝置效率目前不到1%，而托卡馬克裝置的加熱系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率要顯著高于此數(shù)。

段旭如表示，ITER是一個聚變實驗堆，要實現(xiàn)聚變能的應(yīng)用，還有一些關(guān)鍵的工程挑戰(zhàn)和技術(shù)難題需要解決。在實驗堆之后，開展示范堆的研發(fā)，再下一步就是具有經(jīng)濟(jì)性的商業(yè)堆開發(fā)。從現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展認(rèn)知來看，預(yù)計在2050年前后可以實現(xiàn)商業(yè)化。

在中國國內(nèi)，同樣也有激光核聚變的研究布局。早在1964年，當(dāng)時從事保密工作的知名物理學(xué)家王淦昌獨立提出了利用激光實現(xiàn)核聚變反應(yīng)的設(shè)想，這一想法得到中科院上海光機(jī)所高功率激光研究專家鄧錫銘的響應(yīng)，1965年，上海光機(jī)所開始開展高功率激光器的研究。其后70年代，來自中國工程物理研究院（原九院）的中國“氫彈之父”于敏提出激光聚變是復(fù)雜的研究系統(tǒng)工程，建議上海光機(jī)所與工物院強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，后來，兩院聯(lián)合投資建設(shè)激光12號實驗裝置，也就是張愛萍將軍題詞“神光”的“神光I”裝置。

如今中國先后建成“神光I”“神光II”“神光III”三套激光實驗裝置。其中“神光I”服役八年，已經(jīng)退役?！吧窆釯I”位于中科院上海光機(jī)所?！吧窆釯II”位于中國工程物理研究院，2015年完成建設(shè)，是世界上投入運行的第二大激光驅(qū)動器，也是亞洲最大的高功率激光裝置。

國家實驗室背后的支持

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）是美國能源部下屬的17個國家實驗室之一，成立于1952年，正值美蘇冷戰(zhàn)高峰期，總部位于加州利弗莫爾，是美國核武器研發(fā)的重要機(jī)構(gòu)。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室自我介紹說，其旨在開發(fā)并應(yīng)用世界一流的科學(xué)技術(shù)，確保美國核威懾力量的安全、可靠，同時應(yīng)對核擴(kuò)散、恐怖主義、能源短缺和氣候變化等威脅國家安全和全球穩(wěn)定的各種危險。核心能力包括先進(jìn)材料和制造；高能量密度科學(xué)；高性能計算、模擬和數(shù)據(jù)科學(xué)；激光和光學(xué)科學(xué)技術(shù)；核、化學(xué)和同位素科學(xué)與技術(shù)；全源情報分析；核武器設(shè)計與工程；生物科學(xué)和生物工程；地球和大氣科學(xué)。

2021年，LLNL擁有正式員工8172名，資金來源共28.2億美元，其中80%源于美國國家核安全局（NNSA），2/3與國防項目有關(guān)，14%來源于美國能源部旗下的戰(zhàn)略合作項目（SPP）。

突破發(fā)生后，多位美國政界人士也紛紛表態(tài)。

美國總統(tǒng)科學(xué)顧問、白宮科技政策辦公室（OSTP）主任Arati Prabhakar在當(dāng)?shù)氐陌l(fā)布會上表示，這是美國科研事業(yè)實力的絕佳案例，也是拜登總統(tǒng)用史上最大規(guī)模的聯(lián)邦科研預(yù)算支持的事業(yè)。

在美國能源部和國家實驗室發(fā)布的新聞稿中，多位政界人士在其中發(fā)言。美國參議院多數(shù)黨領(lǐng)袖查爾斯·舒默表示，他幫助慣性約束核聚變計劃在國防授權(quán)法案中獲得了今年超過6.24億美元的最高授權(quán)，以實現(xiàn)這一驚人的突破。

美國參議員、參議院軍事委員會主席杰克·里德稱，他贊揚(yáng)美國能源部和所有為這一有希望突破做出貢獻(xiàn)的人，這可能為美國和人類帶來更光明的清潔能源未來。

美國加州參議員Alex Padilla稱，將致力于確保他們擁有繼續(xù)這項重要工作所需的所有工具和資金。美國眾議員Eric Swalwell也表示，將繼續(xù)推動為國家點火裝置提供大量資金，以支持聚變研究進(jìn)步。

美國眾議員Zoe Lofgren表示，國會和政府需要充分資助并實施最近的《芯片與科學(xué)法案》中的聚變研究條款，在二戰(zhàn)期間美國制定了曼哈頓計劃以取得及時的成果，當(dāng)今世界面臨的挑戰(zhàn)比當(dāng)時更大，需要倍加努力加快研究，以探索核聚變所承諾的清潔、無限能源的新途徑。

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