你能想象嗎，那個(gè)曾經(jīng)只能在氫彈中釋放、可以瞬間摧毀整座城市的恐怖能量，現(xiàn)在有望為你家的電燈泡供電？這聽起來像是科幻電影的劇情，但近期多家媒體報(bào)道，包括《科技日報(bào)》在內(nèi)，中國工程院院士預(yù)言："5年內(nèi)你將看到由核聚變點(diǎn)燃的第一盞燈"。

這是什么意思？我們真的能馴服太陽的力量嗎？如果實(shí)現(xiàn)了，它會(huì)如何改變我們的能源格局和日常生活？為什么核聚變被稱為人類的"終極能源"？

從毀滅之力到希望之光

提到核聚變，很多人的第一反應(yīng)是氫彈——那個(gè)冷戰(zhàn)時(shí)期的終極武器，威力是原子彈的數(shù)百倍甚至上千倍。一枚現(xiàn)代氫彈的爆炸當(dāng)量可達(dá)300萬噸TNT，足以將一座大城市夷為平地。這種破壞力來源于輕原子核聚合成重原子核時(shí)釋放的巨大能量，這也是太陽和所有恒星能量的來源。

但你有沒有想過，如果我們能控制這種能量，不讓它一次性爆發(fā)，而是慢慢釋放，用來發(fā)電會(huì)怎樣？這就是科學(xué)家數(shù)十年來一直追求的"可控核聚變"。

與我們現(xiàn)有的核電站使用的核裂變（重原子核分裂）不同，核聚變具有幾乎無限的燃料供應(yīng)、零碳排放、幾乎沒有放射性廢料、不可能發(fā)生災(zāi)難性事故等優(yōu)勢。如果能夠?qū)崿F(xiàn)，它將是真正意義上的清潔能源革命。

為什么核聚變這么難搞定？

如果核聚變這么棒，為什么我們還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化利用呢？答案是：這太難了！

我們需要?jiǎng)?chuàng)造比太陽核心還要高的溫度（至少1億攝氏度），然后還要想辦法控制住這個(gè)"小太陽"不讓它跑掉或者熄滅。

目前，科學(xué)家主要采用兩種方法來嘗試實(shí)現(xiàn)可控核聚變：

第一種是磁約束聚變，代表裝置是托卡馬克（Tokamak）。它使用強(qiáng)大的磁場將高溫等離子體（電離氣體）約束在一個(gè)環(huán)形容器中，防止它接觸容器壁。中國的"人造太陽"EAST（全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置）就是采用這種方式。

2022年，EAST創(chuàng)造了世界紀(jì)錄，將等離子體溫度維持在7000萬攝氏度的狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)行1056秒，相當(dāng)于17.6分鐘。這就好比用看不見的"磁力手套"成功握住了那團(tuán)超高溫的火，而且握了17分鐘都沒松手！

第二種是慣性約束聚變，主要使用強(qiáng)大的激光束照射靶丸，使其快速壓縮產(chǎn)生聚變反應(yīng)。2022年12月，美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）首次實(shí)現(xiàn)了"聚變點(diǎn)火"，產(chǎn)生的能量超過了投入的激光能量，創(chuàng)造了人類歷史上第一個(gè)凈能量增益的核聚變反應(yīng)。

雖然這是一個(gè)歷史性突破，但離商業(yè)化還有很長的路要走。NIF使用了192束世界上最強(qiáng)大的激光，能量相當(dāng)于整個(gè)美國電網(wǎng)瞬時(shí)功率的1000倍，但只能維持幾納秒的反應(yīng)，而且整個(gè)裝置的總能量效率仍然很低。

從跟跑到并跑

在核聚變研究領(lǐng)域，中國已經(jīng)從最初的跟跑者逐漸成為了并跑者。

1958年，中國開始了核聚變研究，比美國晚了約10年。當(dāng)時(shí)，受制于技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，進(jìn)展相對緩慢。但從2006年EAST裝置建成運(yùn)行以來，中國的核聚變研究駛?cè)肓丝燔嚨馈?/p>

2022年，中國宣布了"人造太陽"計(jì)劃的下一步——中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）。這個(gè)項(xiàng)目將是從實(shí)驗(yàn)研究到商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵一步，預(yù)計(jì)在2035年左右建成并產(chǎn)生首次電力。

與此同時(shí)，中國還積極參與國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目。這是目前世界上規(guī)模最大的國際科研合作項(xiàng)目之一，中國負(fù)責(zé)制造其中多個(gè)關(guān)鍵部件。ITER計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)第一次等離子體放電，到2035年實(shí)現(xiàn)氘-氚聚變反應(yīng)。

那么，院士提到的"5年內(nèi)核聚變將點(diǎn)亮第一盞燈"是什么意思呢？很可能指的是在實(shí)驗(yàn)條件下，利用核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，點(diǎn)亮一個(gè)小型燈泡。這將是一個(gè)重大的象征性突破，證明核聚變不僅能產(chǎn)生凈能量，還能被轉(zhuǎn)化為實(shí)用電力。

一個(gè)小小的燈泡，一個(gè)巨大的飛躍

如果真的能在5年內(nèi)用核聚變點(diǎn)亮第一盞燈，意味著什么？

首先，這將是人類能源史上的一個(gè)里程碑。核聚變作為潛在的"終極能源"，其意義可能比之前所有能源革命加起來還要大。

其次，這將極大推動(dòng)全球應(yīng)對氣候變化的進(jìn)程。當(dāng)前，全球約80%的能源仍來自化石燃料，每年產(chǎn)生約360億噸二氧化碳。如果核聚變能夠成功商業(yè)化，地球能源危機(jī)將迎刃而解。

此外，能源安全也將得到根本性改變。當(dāng)今世界，能源資源的分布極不平衡，導(dǎo)致了復(fù)雜的地緣政治博弈。而核聚變的燃料——氘和氚（或氦-3）——幾乎在全球均勻分布，這將大大減少因能源引發(fā)的國際沖突。

仍面臨哪些挑戰(zhàn)？

雖然前景誘人，但我們必須保持清醒：從實(shí)驗(yàn)室的"第一盞燈"到真正商業(yè)化，核聚變還面臨著巨大挑戰(zhàn)。

最根本的挑戰(zhàn)是如何提高能量增益。雖然美國NIF實(shí)現(xiàn)了Q值大于1（輸出能量大于輸入能量），但這只考慮了直接用于驅(qū)動(dòng)聚變的激光能量，而不是整個(gè)系統(tǒng)消耗的總能量。對于商業(yè)化發(fā)電，我們需要的Q值至少在30-50之間。

其次是材料挑戰(zhàn)。核聚變反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的高能中子，這些中子會(huì)損傷反應(yīng)堆內(nèi)壁材料。科學(xué)家需要開發(fā)出能在極端條件下長期工作的新材料。

第三是工程技術(shù)挑戰(zhàn)。商業(yè)聚變電站需要24/7不間斷運(yùn)行，這要求解決等離子體的穩(wěn)定控制、燃料循環(huán)、熱能轉(zhuǎn)換等一系列復(fù)雜問題。

最后是成本挑戰(zhàn)。首批商用核聚變電站的造價(jià)可能非常高昂。據(jù)估計(jì)，一座1GW的核聚變電站初期投資可能達(dá)到100-150億美元。不過，隨著技術(shù)成熟和規(guī)模化生產(chǎn)，成本有望大幅降低。

未來何時(shí)能用上核聚變電？

盡管挑戰(zhàn)重重，但全球核聚變研究正在加速推進(jìn)。根據(jù)多家專業(yè)機(jī)構(gòu)的預(yù)測，核聚變發(fā)電的發(fā)展路線圖可能是這樣的：

2025-2030年：核聚變實(shí)驗(yàn)裝置首次產(chǎn)生凈電力，點(diǎn)亮"第一盞燈"
2030-2040年：示范性核聚變電站建成并網(wǎng)發(fā)電2040-2050年：第一批商業(yè)核聚變電站投入運(yùn)營2050-2060年：核聚變發(fā)電開始大規(guī)模普及

當(dāng)然，這只是一個(gè)相對保守的預(yù)測。如果出現(xiàn)重大技術(shù)突破或國際合作加強(qiáng)，進(jìn)程可能會(huì)加快。反之，如果遇到難以預(yù)見的技術(shù)障礙，也可能會(huì)延后。

期待太陽能量照亮地球家園

回顧人類的能源發(fā)展史，從原始的柴火到如今的核電，每一次能源革命都伴隨著社會(huì)的巨大變革。而核聚變，這種模仿太陽的能量方式，很可能是我們能源旅程的終點(diǎn)站。

雖然核聚變的商業(yè)化之路仍然漫長而艱難，但科學(xué)家們的不懈努力正在一步步將這個(gè)夢想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。也許在不久的將來，當(dāng)你打開家里的電燈、給手機(jī)充電、駕駛電動(dòng)汽車時(shí)，使用的電力將來自一個(gè)微型"人造太陽"。到那時(shí)，我們就真正掌握了恒星的力量，成為了名副其實(shí)的"星際文明"。

而這一切，很可能將從一個(gè)小小的、由核聚變點(diǎn)亮的燈泡開始。