“人造太阳”，取得重要成果！
近期，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所“人造太阳”东方超环EAST团队发挥体系化建制化优势，取得了系列原创性的基础物理研究成果。1月7日，国际学术期刊《科学·进展》发表了该团队在高能量约束先进模式等离子体运行方面取得的重要成果。
实现高性能等离子体稳态运行是未来聚变堆必须解决的关键科学问题。托卡马克先进运行模式是当前磁约束核聚变研究的热点之一。EAST团队在托卡马克装置实验研究中发现并证明了一种新的高能量约束模式，这种先进模式大幅度提高了能量约束效率，具有芯部无杂质积累，便于聚变反应生成物排出，维持平稳温度台基等优点，并实现了芯部高约束与边界不稳定性的兼容，保证了长时间尺度上的高性能等离子体运行。这种无须通过外部控制来确保等离子体稳态运行的高能量约束模式，对于国际热核聚变实验堆和未来聚变堆运行具有重要意义。
此外，科研团队还在湍流驱动等离子体电流、偏滤器脱靶与高约束等离子体兼容等方面取得重要成果，相关研究成果日前发表在《物理评论快报》和《自然·通讯》上。科研团队在等离子体物理基础研究领域深耕探索，发现系列新的物理现象，揭示和验证了其中的相关物理机制，为聚变堆的建设和运行奠定了坚实的科学基础。
“人造太阳”，美国另辟蹊径，后发先至？别急着下结论
人类梦寐以求的一劳永逸解决能源问题的“人造太阳”——可控核聚变技术，又有“重大新闻”传出了。去年年末的12月13日，美国能源部（DOE） 和国家核安全局（NNSA） 宣布，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的“国家点火装置”（NIF）首次实现了激光聚变点火。
这个消息，从直观角度看，意味着人类研究数十年的可控核聚变过程，首次跨过了盈亏平衡，也就是说反应产生的能量超过了输入的能量。毕竟作为人类能源难题的最终解决方案，要是产出能量还不如耗费能量那还有个啥的现实意义啊！
果如是，那这毫无疑问是“重大突破”了。
美国在年底突然爆出消息，显然有点“搞年终巨献大新闻”的意思。更何况，大家更熟悉的核聚变“托卡马克”路线这几十年没出菜，人家美国人换了一条赛道这就出重大成果了，是不是能证明点什么。
但是，不少人原以为会引起轩然大波的新闻，现实中并没有激起多少浪花。
这样的发展意料之外，但也情理之中。因为可控核聚变这领域，其实时不时总是传出此类猛一看吊炸天的新闻，结果证明并没有真正的实质突破，吃瓜群众一劈开总是这样的“生瓜”，久而久之出现免疫反应。
简称：麻了。
人们一直在憧憬未来用上聚变能，彻底解决能源危机的日子，但是满怀期待，却一次次“被打脸”，于是就有了那句耳熟能详的“离成功实现可控核聚变还有50年”，这已像思想钢印一般牢牢地占据着人们的心智。
没人知道类似的言论最早出自于何处，但“永远还差50年”的论调俨然已经成了可控核聚变的特色时间表。
那美国这次的成果到底是一次“真突破”，还是又一次“狼来了”呢？
这里不妨再次介绍一下“可控核聚变”。
大家知道，地球上的能源，根本上来自太阳系唯一的恒星——太阳。而主要由氢、氦气体组成的太阳上，无时无刻不在发生核聚变反应。
核聚变是质量较轻的原子核在极端环境下结合形成较重原子核的过程。例如氢的同位素氘（2H，一个质子一个中子）、氚（3H，一个质子两个中子）可以结合形成氦（4He），并释放出额外的能量。
根据爱因斯坦的质能方程E=mc²，质量和能量之间具有严格的对应关系。聚变反应释放的能量就来自于反应前后物质的质量变化，人类终极追求的聚变能便是根源于此。
人类不是不能利用聚变能。早在上个世纪五十年代，人类就已经实现了能够毁天灭地的人造核聚变——氢弹。但是，这种方式显然不能当成人类能源的解决方案。
若把利用能源比作烧开水，氢弹是能把水烧开，但也把水壶烧成灰了。
为了能更安全地利用聚变能，它就不能再被那么随意地释放出来。这也就是人类所追求的可控核聚变。
相比于一爆了之的氢弹，在实验室或发电厂里实现核聚变则要困难得多。原因在于，想要发生聚变反应，轻原子核内的质子必须要克服越近越强的电磁斥力，才能结合形成新的重原子核。
为了压过电磁斥力，外界必须给它们提供足够大的力量。
在氢弹中，靠的是内部的小型原子弹爆炸来给聚变燃料赋能。
参考氢弹的原理，人类在可控核聚变的研究中，可以通过营造类似于核爆炸的高温高压环境，引发聚变反应。
美国的NIF就是这么一条路线，它的占地面积约有三个标准足球场大小，在如此大的室内空间里，排布着192条管道线。这些管线最终汇聚于一个直径10米，重13吨的钢制空心球体内中。
当NIF运行时，管线内会产生并射出峰值功率达500太瓦（1012瓦）的高能激光。
这些激光会在皮秒（万亿分之一秒）量级的时间差内（相当于说几乎是同时）抵达球体中央，而它们运动的终点则是球体中央放置的一颗针尖大小的聚变燃料靶丸。
燃料靶丸具有多层结构，由多种材料组成。在目前较为成熟的设计里，构成靶丸外层的材料主要是碳氢（CH）、高密度碳（HDC）或者铍（Be）。内部则是等待发生聚变反应的氘、氚。
《激光惯性约束聚变靶制备技术研究进展》 高莎莎等
当激光照射到靶丸上后，靶丸外层最先爆炸并转变为温度达上亿度的高温等离子体，爆炸产生的冲击波继续向内压缩靶丸。整个过程发生的时间极短，几乎在一瞬间，靶丸的密度会被压缩到原来的1000倍！
靶丸中央的氘氚燃料受到如此强大的压力和高温作用，便会发生聚变反应。
这条技术路线也被形象地简称为“激光打靶”。
自2009年建成以来，NIF进行了多次实验，如此算来也是快15年了。其取得技术突破的最大难点，并不在于产生核聚变本身，而是如何产出足够多的能量。
至于说多少算“足够多”，就如同前面咱们说到的，聚变反应产生的能量，最起码也不能比输入的能量少，也就是最低限度的盈亏平衡。
衡量这个水平，在可控核聚变领域有个被称为能量增益因子的参数Q，指的是聚变反应堆中产生的聚变功率与维持等离子体处于稳定状态所需的功率之比。
具体说来，Q=1时就对应盈亏平衡，只有Q>1时，才能认为输出能量大于投入能量，聚变能才是有理论上的利用价值。实际上，Q值需要大于10，乃至大于30，才有真正商用的意义。
然而就是这个最起码的要求Q>1，几十年人类都没有实现，也就是说这些年人类产生安全聚变能的尝试无一不是“亏本买卖”。这把美国NIF“官宣”实现了，照理说当然有里程碑级的意义。
然而，如此重大的成果激起的浪花并没有持续多久，这不得不让人对它的价值产生怀疑，而怀疑的源头就在于美国官方对实验能量“投入和产出”的定义。
NIF的新闻通稿中提到，本次实验向燃料靶丸输入了2.05兆焦耳的能量，最终产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出。
这样看来，Q值刷到了1.5以上，这不妥妥超越了盈亏平衡。
但如果以多数人认知的“投入”和“产出”来说，实验“输入的2.05兆焦耳能量”并不是全部的“投入”，它仅仅是燃料靶丸受到轰击的能量。实际上，为了将这约2兆焦耳的能量“打进去”输入给靶丸，还要消耗大量的能量。
这个数字是多少呢？答案是400兆焦耳以上的电能！
这样说起来，砸进去400多兆焦耳能量，产生“区区”3.15兆焦耳的聚变能，这局简直堪称“慈善局”。
这400多兆焦耳的电能几乎全被用来制备激光。虽然激光的唯一作用就是轰击靶丸，但由于无法保证它的所有能量都会被靶丸吸收（个别激光束可能射偏），所以能量的浪费在所难免。
然而这些损失的能量并没有被NIF算作成本。
那么NIF是纯粹吹牛皮被打脸，高调宣扬的实验成果全然没有意义？
那也不是。因为哪怕NIF这个名义上的盈亏平衡，也是“史无前例”的。而且，作为世界上最强大的激光惯性聚变装置，NIF在Q值上还保持着肉眼可见的进步趋势。
2018年，它在1.5兆焦耳的轰击能量下取得了0.054兆焦耳的聚变能量输出，输出输入比为3.6%；
2021年8月8日，它在1.8兆焦耳的轰击能量下取得了1.3兆焦耳的聚变能量输出，输出输入比约70%；
2022年12月5日，它将2.05兆焦耳的轰击能量下取得了3.15兆焦耳的聚变能量输出，输出输入比约150%。
短短4年间，NIF实验的能量产出率提高了近50倍。这个成果还是值得肯定的。
更重要的是，人类更早采用的，已发展了六七十年的另一条技术路线——托卡马克，在Q值上的瓶颈始终难以突破，“新赛道”上的NIF才给了人们某种新的希望。
乌鸦之前曾经科普过“托卡马克路线”的发展历程。托卡马克源于俄语，由“带轴向磁场的环形室”的首字母组合而成。这类装置的内部构造就如同俄语原意描述的那样，是一个带磁场的环形舱室。
与NIF利用高能激光轰击聚变燃料不同的是，托卡马克则是以“磁约束”的方式来实现核聚变。技术方案的不同也就意味着实验效果的不同：相较于NIF的瞬间暴力，托卡马克则显得更“温柔持久”。
在托卡马克中，氘氚燃料同样会被加热为上亿度的等离子体状态。不过，由于不会经历NIF中激光轰击进而爆炸压缩的过程，托卡马克中的等离子体密度一直都很低，这也导致它无法彻底完成聚变反应。
而为了让燃料充分地反应下去，托卡马克需要将离子体长时间地约束在真空舱室内。这时问题就来了：等离子体的温度那么高，你怎么让它们老老实实地呆在装置内？毕竟这种高温没有什么现有的材料可以遭得住。
科学家想到的应对方法是用磁场。磁场会使运动的带电粒子发生偏转，只要将托卡马克内的磁场设计为某种特定的形状，就可以保证等离子体一直绕着舱室绕圈圈，且完全不会接触到舱室内壁。而只要等离子体在舱室内呆的时间足够长，它们就有可能一直反应下去，进而实现能量输入输出的盈亏平衡。
然而事情的进展不遂人愿，到现在全球托卡马克装置达到的最佳Q值成绩为0.67，可以说离平衡还远着，而且似乎缺乏突破的迹象。
不过在漫长的研究过程中，科学家也有重大的发现，盈亏平衡的实现和等离子体的温度、密度、约束时间三个参数的乘积有关，也就是著名的劳森判据和三乘积。
n(密度)·T(温度)·τ(约束时间)
当三乘积大于某个数值时，就意味着实现了盈亏平衡。
这个判据有什么意义呢？其实它最大的意义就是给相关科学研究指明：“努力”是有意义的，想办法让这三个参数变得更大，就更接近盈亏平衡的目标。
各国的托卡马克装置就在这上各显神通，有的追求高温，有的追求长约束时间，不断突破相应的极限。
其实在美国年底爆“大新闻”后，中国核聚变研究在今年年初也发布了好消息，中科院合肥物质科学研究院“人造太阳”东方超环EAST团队，在高能量约束模式等离子体运行方面取得了重要科研进展，发现并证明了一种新的高能量约束模式，这种先进模式大幅度提高了能量约束效率，能保障长时间尺度上的高性能等离子体运行。
这正是在这条赛道上新的努力尝试。
当然，既然“努力”是有用的，托卡马克的未来，当然是将人类的智慧、能量越多地汇聚越有成功的希望，而这前景一度也摆到过人类的面前。
1985年，时任美苏领导人里根与戈尔巴乔夫在日内瓦峰会上倡议，由美、苏、日本以及欧共体共同启动“国际热核聚变实验堆”（ITER），准备在2010年建成。
然而这个“国际合作”项目，几乎从一开始，就面临着各国间不断的矛盾、算计。
1998年，由于嫌ITER项目报价过高，美国众议院干脆要求美能源部无条件拒签下一阶段协议，相当于直接退出了这个项目（后又加入）。当时日本经济的泡沫也不断破裂，而欧洲各国为了统一欧元问题，在财政上更是自顾不暇，于是四方一合计，共同决定延长ITER的项目建设设计。
中国于2003年抓住时机加入了该项目，并成为了推动项目前进的主要力量。如ITER第三任总干事伯纳德·比戈所言的那样：
“中国的贡献很大，积极性很高，政府充分支持。迄今，中国一直按时按规格需求交付创新型的特定组件。所以，中国是ITER项目建设真正的典范。”
然而中国一家的努力救不了国际合作。从1988到2020年间，三十多年时间里，ITER项目经历了概念设计、工程设计、场地准备、综合体建设、托卡马克组装等阶段。而就是托卡马克装置的组装这一步骤，到现在仍在“进行中”，不得不说效率极其感人。
各国各有各的算盘。比方说美国关闭了自己的大型托卡马克装置，从“托卡马克路线”大举转轨“激光打靶路线”，除了在可控核聚变研究上的考虑之外，恐怕还跟核武器研发高度相关。因为国家点火装置NIF能模拟核爆炸环境。
前面咱们提到提到，氢弹引爆靠的是内部的小型原子弹先行爆炸，由此带来的高温高压环境会促使核聚变反应的发生。NIF那些高能激光束也能产生相同的效果。在已经全面禁止核试验的条件下，这种试验显然比超级计算机的模拟核爆更具实效。
NIF的官方新闻对此其实也直言不讳：“NIF的团队的工作将帮助我们解决人类最复杂和最紧迫的问题，例如提供清洁能源来应对气候变化，并在没有核试验的情况下保持核威慑力量。”
其实“激光打靶”这条赛道，也不是只有美国人在这上开疆拓土，法国兆焦耳（LMJ）、中国“神光”系列、日本GEKKO XII等，也都在推进研究，只是没那么高调，毕竟这玩意跟氢弹有着此种微妙的关系，瓜田李下的说不清楚。同时，多数国家还是跟中国一样，“两条腿走路”，同时在托卡马克路线上寻求突破。
观察人类数十年来有关可控核聚变的研究，“永远差50年”这个命题似乎真就不是一句简单的玩笑话。
毕人类之智慧，只争朝夕，50年鸿沟未必不可逾越。只是，“毕人类之智慧”这个前提条件，恐怕再过50年也难以满足
