聚变能（人造太阳）就要实现了？美国LLNL实验室首次实现核聚变反应的净能量增益意味着什么？
最近关心科技的朋友一定都刷到了劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施(NIF)进行了历史上第一次可控核聚变实验，实现了“核聚变点火”(fusion ignition)，创造了历史。美国能源部在推特上称，这是一个“酝酿了几十年的公告”。那这是否意味着人类的终极能源离我们不远了呢？
这一次实现聚变点火意味着什么？
在12月5日，LLNL实验室在国家点火设施(NIF)上成功的实现了聚变点火(fusion ignition)。实验向聚变燃料注入2.05MJ的能量，聚变反应产生了3.15MJ的聚变能量输出。是人类首次在可控聚变实验中实现输出的能量大于输入能量，也就是所谓的实现了“点火”。
这里我们稍微解释一下什么是“点火”。一块木头是燃料，但他不会自己燃烧起来，需要我们用打火机去点他。但是基本常识告诉我们，木头不是一瞬间就能点着的，因为要维持燃烧这一化学反应，是需要一定的温度的。当你用打火机点木头的时候，就是给燃料注入了能量，有一部分木头达到了燃烧反应的温度，开始燃烧，燃烧的时候也会释放出能量，这些放出的能量会加热其它的燃料使它达到燃烧的温度，开始燃烧。但是如果打火机很快就撤走了，被点燃的木头太少，他释放出的能量不足以点燃更多的燃料，你就会发现木头的火星越来越小，然后熄灭，这就是没有实现点火。当打火机点的时间足够长，有足够多的燃料在打火机的帮助下开始燃烧，而且放出的能量超过了打火机提供的能量时，打火机就可以撤走了，因为已经被点燃燃料释放的能量已经可以代替打火机，使这块木头自己燃烧下去，也就是所谓的实现了自持燃烧，也就是点火了。是不是很简单。
聚变很多人都科普过，是两个较轻的原子核融合成一个新的原子核，从而释放出大量的能量，是太阳发光发热的原理，我就不多说了。聚变燃料同样需要用“打火机”来点燃，只不过这个条件苛刻的多。著名的劳森判据就是描述点燃聚变燃料需要的条件的。在地球上，我们需要1亿度才能点燃聚变燃料，比太阳核心还要热的多（1500万度）。这是为什么呢？因为原子核都带正电，是相互排斥的，要让聚变反应发生，需要克服这个排斥力让原子核靠的足够近，强相互作用大于库伦斥力才行，因此需要原子核具有足够高的能量，也就是宏观的温度（T）。同时还要在一定时间内，在一定的空间内维持足够多的燃料，不然反应释放的能量都跑掉了，或者燃料自己被释放的能量给炸散了，能量没有传递给剩下的燃料，就无法实现点火了，这也就是劳森判据里面另外两项密度(ne)和约束时间(τe)的意义。
劳森判据
人类其实很久以前就是实现过聚变点火，对没错就是氢弹。氢弹的原理就是用一个（裂变）原子弹当作打火机，当原子弹爆炸产生的能量极高的X光和辐射照射在聚变燃料靶上的时候，将能够在十亿分之一秒内加热聚变燃料到1亿度，在燃料还来不及被炸散的一瞬间点燃。
而在几天前NIF那次实验之前，人类还没有成功的使用任何原子弹以外的方法实现聚变点火，因此这次实验对于聚变研究来说是历史性、突破性的。NIF点火的方式其实和氢弹挺像的，他用192个世界上最强的激光器，产生的紫外线激光照射到装着聚变燃料靶丸的辐射腔(hohlraum)内壁上，辐射腔只有1厘米直径，而燃料靶丸只有一个花椒那么大。辐射腔瞬间被加热到300万度，产生的X射线会均匀的照射在靶丸上，后面的故事就和氢弹是一样了（所以点火装置也被用于聚变武器模拟）。这个有多难呢，NIF耗资35亿美元，建成已经有13年了，才实现了人类历史上首次可控聚变释放的能量大于输入的能量，距离氢弹首次爆炸过去了整整70年。
激光照着在辐射腔中
聚变能商用不远了吗？
NIF本次试验的意义绝对是历史性的，是人类迈向聚变能商用的一大步，但是，我们离聚变能商用还有很远的路要走。
首先，如果商用发电，我们需要更高、高的多的增益。本次试验中输入了约2MJ的能量，输出了3MJ，收获的1MJ能量大概只能烧开3L的水，而产生2MJ激光需要大约500MJ的能量，这么一看好像亏大了。
而且，如果要采用这种技术发电的话，因为每次燃料很少，点着以后一瞬间就燃烧完了，需要每秒重复点火十几次才有意义。而目前NIF今年只做了364次实验，其中达到2MJ能量的只有25次。NIF用的靶也非常的昂贵，辐射腔的制作需要差不多50个小时才能做一个，加工精度达到纳米级。
NIF靶与辐射腔
那传说中的托卡马克呢？
说到聚变能怎么能错过托卡马克，关于这个也有很多人科普过。目前做过聚变实验的托卡马克只有两个，其中英国的JET在2022年12月21日，实现了聚变反应产生59MJ能量的实验，但是他的能量增益只有0.33，实验过程中瞬间的能量增益达到了0.62，并没有实现点火。但是JET的燃料持续燃烧了5秒，而不是像NIF一样瞬间爆炸，释放的能量也多得多。日本的JT-60托卡马克，由于没有氚，在只用氘做高参数实验时，外推到用氘氚燃料可以达到1.2的能量增益，而未来国际热核聚变实验堆ITER的能量增益设计值是10。对于托卡马克来说，要实现工程上的能量增益，聚变燃烧的能量增益要到50-100才有可能。
看起来还有很远的距离，但并不是传说中永远还有50年，我们确实一步一步在在接近终极能源。从MIT研发大口径高温超导磁体、JET氘氚聚变实验，到前几天前的NIF聚变点火实现，不断地有好消息传出。最近也有越来越多的人和资本关注、投入聚变，也有不少新概念聚变方案被提出，也许不要五十年，很快我们就能用上聚变能了。
是不是看完这篇文章，你产生了更多的疑问？如果你对聚变有兴趣可以向我们提问哦，也许下次就能解答你的疑问。
参考文献：
1. https://www.llnl.gov/news/national-ignition-facility-achieves-fusion-ignition
2. https://www.sciencemediacentre.org/expert-reaction-to-fusion-announcement-from-the-lawrence-livermore-national-laboratory/
3. https://lasers.llnl.gov/about/how-nif-works
4. https://lasers.llnl.gov/about/keys-to-success/targets https://lasers.llnl.gov/about/keys-to-success/efficiency-improvements
5. https://lasers.llnl.gov/for-users/nif-target-shot-metrics
6. Gibney, Elizabeth (9 February 2022). "Nuclear-fusion reactor smashes energy record". Nature. doi:10.1038/d41586-022-00391-1
7. Jeff Tollefson, Elizabeth Gibney (13 December 2022) Nuclear-fusion lab achieves ‘ignition’: what does it mean? Nature. doi:https://www.nature.com/articles/d41586-022-04440-7
8. Overview of ITER physics deuterium-tritium experiments in JET J. Jacquinot et al 1999 Nucl. Fusion 39 235
