2022年12月17日星期六
中美“激战”核聚变
美国科学家在被誉为“人造太阳”的核聚变能源领域，取得重大科学技术突破，使我们离近乎无限清洁能源的潜在来源又近了一步。北京时间12月13日23点，美国能源部和美国国家核安全局（NNSA) 联合宣布，加州劳伦斯利佛摩国家实验室（LLNL）科学家采用“惯性约束聚变”方法，即用世界上最大的激光撞击一个微小的氢等离子体颗粒，使用实验性质的核聚变反应炉，在过去两周的一次可控聚变实验中实现聚变点火，获得了“净能量增益”（Net Energy Gain）（Q＞1）。这一技术成果有三大里程碑式突破：首次证明了惯性聚变能 (IFE) 的基础科学能力；美国正朝着核聚变发电厂建造，以及无限、零碳能源的目标迈出了关键一步；有望应对世界能源价格高企和迅速减少化石燃料燃烧的需求。这是一项具有里程碑意义的成就。比如提供清洁能源来应对气候变化，以及在没有核武器的情况下维持核威慑力测试。
实际上，相较于美国，中国在可控核聚变方面已多方位布局，实现了世界领跑。今年10月，中国“人造太阳”装置的等离子体电流突破100万安培，创造新纪录；国内多家核聚变研究的民营企业今年获得了风投机构的青睐，红杉中国、蓝驰创投、中科创星、蔚来资本、联想之星等机构早已跑步进场。
作为全球最重要的两大经济体，在未来净核聚变、零碳共同目标下，中国和美国正就“可控核聚变”领域展开技术创新竞争。
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媒体：中国核物理学家道出美国“核聚变点火”根本目的
美国能源部13日宣布，美国劳伦斯▪利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置取得了重大突破——首次实现了所谓的“能量净增益”，即核聚变反应产生的能量超过输入的能量。
一时间，媒体上各种溢美之词铺天盖地而来，宣称美国在核聚变领域的这个突破，“帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步”，甚至还有鼓吹它能帮助解决当前的全球能源短缺问题……
老司机想说，美国的确在核聚变领域取得了一个重大科技突破，但作为中国人，在充满激情地跟着称赞之前，有些事情需要了解一下。
在本周这个大新闻出台前，恐怕大部分人都对“美国国家点火装置”感到陌生。简单而言，它是世界上最大的激光装置，造价高达35亿美元，有3个足球场那么大，可以动用近200台激光器产生的高能激光集中轰击一个微小的核聚变材料靶标，以启动核聚变反应。国家点火装置于1997年开工建造，即便经历了2008年的经济危机，美国政府也咬牙把这个“吞金大户”坚持下来，并在2009年完工。
但美国政府如此重视国家点火装置的根本原因是什么？
看看它的背景，一切就清楚了——美国国家点火装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行，它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国核武器储备的维护提供指导。
换句话说，国家点火装置的“本职工作”并非是为全人类发展清洁的核聚变能源，而是为美国核武库服务的——它的最初设计目标就是为通过模拟爆炸来测试核武器。
中国核物理学家、工程院院士杜祥琬对此说得非常清楚：“美国此次开展的激光能可控核聚变，根本目的是研究核武器相关的物理问题。”
事实上，在美国宣布这次“重大突破”后，不少业内专家也注意到它对于美国发展新型核武器的重大意义——这可以帮助美国绕过因《全面禁止核试验条约》而停止的地下核试验，转而以较小的规模进行核反应实验，并从中收集数据。LLNL的武器物理和设计项目主任马克•赫尔曼表示，该实验本身就创造了非常极端的环境，更加接近于核武器爆炸。虽然核反应在十亿分之一秒内就结束了，但这段时间足以为研究核武器的科学家提供重要数据。
另一方面，国家点火装置的这次突破从科技上说，的确是不小的成绩，但要说它很快就能解决人类的能源危机，那实在是吹嘘得过了头。
在12月5日的实验中，美国国家点火装置用192束高能激光，将2.05兆焦的激光聚焦到核聚变材料上，产生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，达到了“点火”标准。实现“能量净增益”被视为证明商业核聚变电站可行的关键一步，国家点火装置的这次成功就证明了这一点。
但它距离真正意义上的实用化核聚变，还有非常远的路要走。英国《金融时报》称，虽然该实验产生的能量比激光器输入的能量高，诞生光是激光器运行就需要约300兆焦的能量，就整个系统而言，这次核聚变产生的能量仍微不足道。此外，从聚变热能转化为电力的过程中还会有能量损失，“因此可以说，国家点火设施的实验结果是一项科学上的成功，但离提供可用的、充足的清洁能源还有很长一段路要走。”
据老司机了解，业内通常认为，核聚变商业化前景更好的并非是国家点火装置所代表的高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变，而是另一条技术路线——利用磁约束的托卡马克装置。其中位于法国南部的“国际热核聚变实验堆（ITER）”是可与美国国家点火装置相提并论的超级可控核聚变实验装置。
中国的“东方超环”
值得一提的是，中国是这项计划的重要参与国。此外中国还在合肥、成都建造有自己的托卡马克装置，承担的就是开展获取可控核聚变能源的实验。例如中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所的EAST全超导托卡马克装置（“东方超环”）于2021年成功实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，成为世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行，打破世界纪录。
所以呢，在大方庆贺美国在核聚变方面取得重大突破的同时，也不必妄自菲薄——中国在可控核聚变方面同样走在世界前列。
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美国宣布核聚变实现历史性突破
来源：法国国际广播电台
2022-12-13
这张由劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的国家点火设施提供的未注明日期的图片显示了位于加州利弗莫尔的NIF目标湾。该系统使用192道激光束汇聚到这个巨大球体的中心，使一个微小的氢燃料颗粒内爆。美国能源部的官员2022年12月13日宣布：核聚变实现的”重大科学突破”。
位于加州的劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）是美国能源部的一部分，它在一份声明中说，上周的一项实验
“从聚变中产生的能量超过了用于引起反应的激光能量”。能源部部长格兰霍姆在一次新闻发布会上说，这一成功将 “载入史册”。
目前，核电站使用核裂变，其工作原理是分裂重原子的原子核，从而释放出能量。而核聚变则使两个轻核融合在一起，形成一个更重的核。这就是为恒星提供动力的反应，包括我们的太阳。由于那里普遍存在的极端热量和压力条件，氢原子融合成了氦，在这个过程中产生了巨大的能量。在地球上，这一过程可以通过超强的激光器来实现。
什么是核聚变
来自星球的能量
核聚变与核裂变不同，后者是目前在核电站中使用的技术，涉及打破重原子核的结合。
核聚变是一个相反的过程：两个轻原子（氢）融合在一起，产生一个重原子（氦），从而释放能量。这就是在恒星中起作用的过程，包括我们的太阳。
物理学家阿瑟-特瑞尔（Arthur
Turrell）、《恒星建设者》一书的作者在推特上写道， “控制恒星的能量来源是人类有史以来最伟大的技术挑战。”
两种不同的方法
只有将物质加热到极高的温度（1.5亿度左右），聚变才有可能。法国原子能委员会（CEA）的项目负责人Erik Lefebvre表示，”我们因此必须找到方法，将这种极热的物质与任何可能将其冷却的东西隔离开来。”
第一种方法是通过磁约束进行核聚变。在一个巨大的反应堆中，轻氢原子（氘和氚）被加热。然后材料处于等离子体状态，是一种密度很低的气体。它是通过磁场控制的，在磁铁的帮助下获得。
这是目前正在法国建设的国际ITER项目将使用的方法，也是牛津附近的JET（欧洲联合环形山）使用的方法。
第二种方法是惯性约束。在这里，非常高能量的激光被送入一个顶针大小的圆筒内，里面装有氢气。
这就是法国的 “兆焦耳激光”（LMJ），或该领域最先进的项目–美国国家点火设施（NIF）所使用的技术。美国加利福尼亚国家实验室正是通过后者进行了历史性的实验，首次实现了能量的净增长。
到目前为止，使用激光的实验室的目的更多的是为了证明物理原理，而第一种方法则是为了重现接近于未来的配置。
还有多长的路要走
Érik Lefebvre认为，“在工业和商业规模可行之前，还有很长的路要走”。据他说，这种项目还需要20或30年才能完成。
美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室主任Kim
Budil在周二表示，可能是 “几十年”（但少于五十年）。”现在，我们利用激光已经实现了净能量的增加，我们需要想办法让它变得更简单。”
仍然需要许多技术上的改进：产生的能量必须增加，而且操作必须是每分钟可重复多次的。
科学界为何如此期待核聚变？
专家指出，与核裂变不同，核聚变不会有发生核事故的风险。
此外，核聚变产生的放射性废物极少，最重要的是，它不会产生温室气体。
Lefebvre总结说：”这是一种完全无碳的能源，产生的废物非常少，而且本质上非常安全。这使得它成为 “世界能源问题的未来解决方案”。
对许多人来说，核聚变是未来的能源。
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核聚变研发竞赛：无放射性的“小太阳”正在加速成为现实
保罗·林肯（Paul Rincon）
BBC News 科学编辑
2022年2月11日
图像来源，TAE TECHNOLOGIES
30米长的聚变筒命名为C2W 诺曼。
得益于谷歌庞大的计算能力，一家美国公司正在通往可控核聚变能源的道路。
通过应用能够自我迭代的软件，TAE技术公司已经将曾经需要两个月的任务缩短到几个小时。
谷歌已将其在“机器学习”方面的专业知识借给该公司，以加快实现可控核聚变的时间表。
核聚变有望提供丰富的低碳能源，它与太阳释放能量的过程相同。
现有核能以裂变为基础，在裂变过程中，一种较重原子分裂成较轻的原子。核聚变的工作原理是将两种轻原子结合起来，生成一种更重的原子。通过使用被称为等离子体的高温带电气体，快速移动的粒子可以融合，释放出能量。
当聚变产生的能量超过投入的能量时，它在经济上证明是可行的。但是还没有人做到这一点，尽管人们为“在地球上建造一颗恒星”进行了长达80年的努力。
挑战是巨大的，但核聚变行业的一些人希望，创新思维和颠覆性技术可以帮助打破这种情形。
TAE的首席执行官班德波尔（Michl Binderbauer）向BBC表示，“我想先做到聚变，但任何人做到也是英雄。”
图像来源，TAE TECHNOLOGIES
TAE的首席执行官班德波尔
TAE科技公司位于洛杉矶东南部绿树成荫的福特希尔兰赫（Foothill
Ranch），已经筹集了超过8.8亿美元的私人资金，高于其他任何核聚变公司。该公司获得来自高盛公司、洛克菲勒家族和已故的微软公司联合创始人保罗·艾伦的高调支持。其董事会成员包括前美国能源部长欧内斯特·莫尼兹。
该公司的30米长的聚变筒，以TAE的创始人、2014年去世的物理学家诺曼·罗斯托克（Norman
Rostoker）的名字命名为C2W “诺曼”。它代表了一种与世界上最大的聚变实验所使用的甜甜圈形“托卡马克”（tokamak）不同的方法，后者在价值数十亿欧元的ITER项目中使用。
控制数千万度的等离子体需要一个精调细控的系统。谷歌在机器学习方面的优势，即算法随着经验而不断改进，已被用于优化TAE的聚变装置。
优化，或调整到最佳性能，会在设备上的某些东西发生变化时进行，如添加新的硬件。这个过程曾经需要两个月左右，但有了机器学习，“我们现在可以仅在一个下午完成，”TAE的班德波尔向BBC表示。
核聚变过程图示。
图像来源，TAE TECHNOLOGIES
“学习速度加快得令人难以置信，使我们能够更容易地做出改变”。机器学习也被用来重建核聚变实验期间所发生之事，这也被称为“拍摄”。多股数据可以被拉到一起，以便更深入地了解这个过程。
班德波尔解释称，这是个难以置信的算力密集型问题，而且在此之前甚至很少有人试图解决该问题。他表示，与谷歌合作的结果可能会使该公司的长期规划提前一年，该规划打算在2030年之前推出商业核聚变测试设备。
TAE科技公司已经走过了漫长的道路——加州大学欧文分校的教授罗斯托克在1998年创建了Tri-Alpha能源公司；出生于奥地利的班德波尔是罗斯托克的博士生之一，四年前成为公司的CEO。这两位物理学家选择了TAE方法，然后从核聚变电站的要求开始，倒推进行研发。
据伦敦帝国学院的齐滕登（Jeremy Chittenden）教授说，TAE“所做的事情与其他人完全不同"。该设备并不依赖等离子体的热量来产生快速移动的粒子进行核聚变，而是使用外部粒子束，将其射入热气中，类似于粒子加速器中发生的情况。”他解释说：“这就是你的聚变源。”
图像来源，TAE TECHNOLOGIES
耗资1.5亿美元的“诺曼”装置以超音速将管内的两个等离子体球撞到一起。在所谓的场反转配置（FRC）中，由磁场来控制这个过程。
而欧洲ITER那样的聚变设备，则使用由氘和氚组成的燃料（氢元素的两个重版本），在数千万摄氏度的高温下通过核聚变产生能量，这仍然处于比其他一些方案所需温度要低。但是也有缺点：氚具有放射性，会磨损聚变反应堆的内部，而且供应有限。
TAE的“诺曼”装置则用“普通的”氢和氘为其反应提供动力——这是一个更无害的选择，尽管效力较低。但该公司最终希望转向氢硼燃料。这种燃料不产生中子，因此几乎没有放射性，使机器易于维修和维护。但这种燃料也需要极高的温度。
C2W “诺曼”在大约7000万摄氏度下运行，但氢硼燃料需要温度上升20-30倍，达到几十亿摄氏度。这是一个重大的挑战，班德波尔说，在科学上增加几十倍是一个大问题，"我们能实现用氢硼吗？我非常确信我们可以。"
图像来源，TAE TECHNOLOGIES
聚变实验依靠机器学习技术。
英国约克大学从事托卡马克核聚变研究的等离子体物理学家罗迪·范恩（Roddy Vann）说，“虽然你必须达到正确的温度，但温度、密度和能量封闭时间都必须同时达到足够高的水平。”
他解释说，虽然中子在托卡马克结构中确实产生了一些放射性，但我们在常规的氘氚核聚变中捕获的也是中子的能量。不过范恩教授也说："如果我们能做到无中字核聚变（aneutronic fusion），并能在可实现的温度下进行，那将是非常有趣的。"
齐滕登教授解释说，“因为他们不是通过热能，而是通过粒子加速，所以（氢硼燃料）的缺点就消失了。”齐滕登补充，那样的核聚变电站实现后，带来的净收益是巨大的，因为以氘氚为原料的电站成本中很大一部分是处理放射性产品。
班德波尔说，TAE的方法也不容易受到湍流的影响——湍流阻碍了托卡马克中控制等离子体的能力——以及热量从机器中泄漏。他说，事实上，随着设备中温度的上升，泄漏率会下降。
目前正在计划两个反应堆来跟随“诺曼”—哥白尼和达芬奇。十年内的一个关键目标是产生净能，即核聚变的输出超过为启动反应提供的能量。
经过近25年的发展，TAE已经开创了超越核聚变应用的技术。它正在完善一种称为硼中子捕获疗法的技术，以期将其用于癌症治疗。它还成立了一个新的部门，将其在C2W“诺曼”工作中产生的电源管理系统商业化，用于电动汽车和能源储存领域。
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核聚变实验取得突破
产生能量大于输入所需
踏出重要里程碑
香港01撰文：欧敬洛
出版：2022-12-14 01:00
美国在12月13日宣布重大消息，科学家首次在核聚变实验中生产大于输入的能量，为发展清洁、无限的能量泉源踏出重要里程碑。
美国能源部门主持了这次的重大宣布，实验在加州劳伦斯利佛摩国家实验室（Lawrence
Livermore National Laboratory）的国家点火设施（National Ignition
Facility）举行。实验投入了2.05万亿焦耳的能量，产生3.15万亿焦耳的输出。
这是人类首次在同类实验中达到增加能量的效果，产生的能量亦较投入的多出50%以上。这次实验的结果示意人类可利用核聚变以较少的能量产生更大的能量输出，证明以核聚变获取能量变得可行。
核聚变是利用核融合的一种核反应，产生巨大的能量，核融合是包括太阳在内的恒生产生能量的方法。但要产生核融合需要巨大的能量作为基础，技术含量远较利用核分裂进行的核能发电要高。但在气候变化、化石发电造成的环境破坏影响愈来愈大，核聚变相对清洁和巨大的能源被视为是未来能量的泉源。
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昨晚美国能源部发布了一条大新闻，我们离人造太阳不远了？
撰文| 孙正凡
责编 | 李珊珊
图源：pixabay
在被疫情困扰了3年之久的地球上，这真是个难得的令人振奋的好消息。
美国时间12月13日上午的新闻发布会上，美国能源部长詹妮弗•格兰霍姆宣布：其在可控核聚变实验中取得了重大突破。
12月5日，在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），那台有3个足球场那么大，配备了192个激光器的国家点火装置（NIF）上，第一次实现了能量的正收益。
在之前的实验中，由于核聚变发生的条件实在过于苛刻，激光所用的能量往往高于聚变反应产生的能量，最多也只是打平，这让整个系统如同一个效益不佳的工厂，压根无法可持续运营。
而这一次，首次实现了聚变反应的净能量增益，即输出能量大于输入能量。根据劳森准则（Lawson criterion），当生产的能量高于损失时，系统将产生净能量， 如果足够多的能量被燃料捕获，系统将可以自我维持，这个系统便“点火”成功了。
在人类的能源史上，这可能是个里程碑式的事件，CNN的报导中，脱碳研究投资公司Carbon Direct的首席科学家胡利奥•弗莱德曼（Julio Freidmann）对这个“里程碑”解释道：“这非常重要，因为从能源的角度来看，如果你输出的能量不超过输入的能量，它就不能成为能源”。
而现在，这一切做到了。没有辐射、没有碳排放，如同科幻电影中的聚变发动机，只需要提供氢元素，就有能量供给。
科学家们复制了“仅在恒星和太阳上可以达到的某些条件”，格兰霍姆说：“这一里程碑使我们朝着为我们的社会提供动力的零碳丰富聚变能源的可能性迈出了重要的一步”。
不过，这只是在实验室进行的原理验证水平上的成功，从实际应用的角度看，离最终的“圣杯”还差得很远。
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用半个多世纪，烧开了10壶水
这次发布被美国媒体称为是“一个酝酿了几十年的公告”。
半个多世纪前，上世纪50年代后期，在LLNL，研究者就已经完成了利用激光约束产生核聚变的概念的计算器模拟，那被称为激光约束核聚变，或者基于激光的惯性约束聚变（ICF）。
国家点火装置（NIF）则是ICF最大的实验场，这里是世界上最大的激光装置，有3个足球场那么大。近200台激光器产生的激光，集中之后用高能量轰击一个微小的氘氚等离子体颗粒，以启动核聚变反应。
这个装置的建设从1997年开始，经历了美国2008年的经济危机，到2009年完成。到2013年，NIF到达了它的第一个里程碑，通过聚变反应释放的能量超过了燃料吸收的能量，但距离核聚变产生的能量超过激光供应的能量的“圣杯”还差一步。
2020年，美国疫情期间，NIF被迫关停，而今，这几乎成为美国科学家们对特朗普抱怨的经典案例。
2021年8月，NIF第一次产生了一个可以在极短时间内可以自我维持的聚变反应，却无法复制那次实验。《新科学家》杂志的报导中评论：“科学家们实现了核聚变……但现在，他们无法复制它”……
而就在今年的8月，《物理学评论快报》发表了一篇关于NIF的论文《在聚变实验中实现劳森准则的点火》。那篇论文有40多家机构参与，仅署名作者就写满了3页半的A4纸，文中，研究者报告他们产生了一种等离子体，其中产生的热量不仅超过了外部加热而且超过了所有损失，几乎满足了所谓的聚变点火劳森准则，非常接近该领域的圣杯——通过聚变产生比驱动激光脉冲中包含的净能量更大的净能量。
3个月后，12月5日的实验中，科学家们拿到了足够的量化数据，他们实现了正收益。NIF的聚变反应堆从2.05 兆焦耳的激光功率输出中产生了3.15 兆焦耳的功率输出——增益约为150%。
成功地令氢原子发生聚变，在100 万亿分之一秒内释放1.3 兆焦耳的能量，即10 千万亿瓦的功率，然而，这只是一次在实验室进行的原理验证水平上的成功。每次工作时间只有20-30纳秒，发出的电量实际上只是“相当于烧开10 壶水”。而要想真正获得商用价值，其产出-输入比还需要提高约100倍。
牛津大学物理学教授贾斯汀•沃克教授在英国科学媒体中心上发表评论称：“这确实是一个很大的进步，但我们还需要更多。首先，我们需要得到更多的投入，以解决产生激光等方面的损耗（尽管近年来制造高效激光器的技术也取得了飞跃)；其次，劳伦斯利弗莫尔国家实验室原则上每天大约可以产生一次这种结果——聚变发电厂需要每秒产生十次。”
但即便如此，本次试验仍然是自1930 年代以来科学探索的一个重要里程碑，为世界各地从事激光核聚变研究的同行提振信心，让人类朝向实现“人造太阳”，即可控核聚变的希望呈现了更大的可能性。
有了这个基础，科学家和专家们需要弄清楚就是如何从更大规模的核聚变中产生更多的能量，以及，如何最终降低核聚变的成本，使其能够在商业上使用。
当然，13日的发布会上，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任Kim Budil表示，在商业化之前，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服。她说：“我认为它正在走向前台，并且可能通过共同努力和投资，对基础技术进行几十年的研究可以使我们能够建造一座发电厂。”
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让能量像太阳一样源源不断
万物生长靠太阳。太阳是我们地球上正在使用的几乎所有能量的来源，而且我们地球接收到的太阳能又仅仅是太阳产出能量的20亿分之一。太阳能量来源于中心的核聚变。
太阳表面温度只有6000度，可中心温度高达有1500万度，在高温高压之下，核聚变反应可以自然地发生。核聚变，又称融合反应，是指将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个极轻的核（或粒子）的一种核反应形式。两个较轻的核在融合过程中产生质量耗损而释放出巨大的能量，这一能量效率是核裂变反应（现在的核电站发电原理）的4倍。
在太阳中心，其巨大的引力所产生的极端压力为核聚变的发生创造了触发条件。在极高密度和温度下，原子中的电子和原子核被分开，形成等离子体。
在这些高温高压的等离子体中，众多原子核（以氢核为主）相互碰撞，能够克服彼此电荷之间排斥力，使原子核之间的吸引力将超过电排斥力，从而使它们能够实现聚变。通过4个氢核聚变为1个氦核的聚变反应，太阳已经为地球和宇宙提供了近50亿年的光和热，并且还有50亿年的稳定寿命。
人类第一次掌握氢核聚变反应，是通过氢弹实现的。氢弹就是利用原子弹（核裂变）爆炸产生的能量，瞬间引发核聚变反应。所以它是不可控的，只能用于战争和威慑，而不是和平建设。氢弹利用的就是氢同位素氘和氚聚变为氦的反应，爆炸中心的温度达到了上亿度（原子核越复杂，所需要的温度越高）。
通过氢弹这种特殊的实验，给科学家指明了要想平稳地实现利用核聚变来发电，即可控核聚变，至少需要上亿度的高温和相应的物质密度。
那么在地球上如何实现太阳上一般的高温高压等离子体呢，什么样的容器能装下温度高达上亿的物质，还能让它们在其中缓慢地发生核聚变呢？
另外还需要充分的约束，才能使等离子体和聚变反应保持足够长的时间，以获得净功率增益——整个可控核聚变过程实现其初始“点火”条件就需要消耗了大量的能量，因此必须达到“劳森准则”，即生产的能量高于投入时，聚变能才能成为可用的能源。
如同太阳中心的等离子体，足够的高温高压，才能使电子已获得足够的能量摆脱原子核的束缚，让原子核完全裸露，为核子的碰撞准备条件。而当等离子体的温度达到几千万摄氏度甚至几亿度时，原子核就可以克服斥力聚合在一起。如果同时还有足够的密度和足够长的热能约束时间，释放的能量足以维持所需的温度和压强，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。
早在1955年，英国物理学家劳森（John D. Lawson）在一份保密论文中就提出了一个准则：等离子体的温度、密度和约束时间，三者的乘积称为“聚变三重积”，当它达到10^22时，聚变输出的功率，才等于为驱动反应而输入的功率，反应能自持进行。超过这一基本值，核聚变才“有利可图”。1957年，相关论文才得以解密。
至此，找到实现劳森准则的合理路线图，成了摆在物理学家和工程师面前的国际难题。
也正是因为有发展聚变能源的需求，有核国家才感到保密不利于研究的进展，只有开展国际学术交流，才能推进核聚变的深入研究。1958年秋在日内瓦举行的第二届和平利用原子能国际会议上达成互相公开研究的协议。
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两大技术路线，谁会胜出？
在人造的物理环境中，很难实现超高压与超高温兼得，这意味着，人类必须制造出比太阳更极端的高温环境。
在过去的几十年里，可控热核聚变研究形成了两大分支。一个发展方向是NIF这类的利用超高强度激光在极短的时间内辐照来产生聚变。
而另一种，则是磁约束聚变，即用磁场约束聚变物质。这个路线的主攻方向是托卡马克装置（比如中国的东方超环EAST 和国际热核聚变实验堆ITER），另外还有仿星器，反向场箍缩及磁镜等装置。另一发展方向是惯性约束聚变，主攻方向是激光聚变，另外还在研究轻、重离子束聚变及其它装置。
托卡马克，是磁约束装置的几种类型之一，这个名字是俄语“磁线圈环形真空室”的缩写，它的构想来自20世纪50年代前苏联科学家。
1954年，第一个磁约束装置建成，它的形状像一个平放的轮胎，在轮胎中，环形的磁场把几亿度高温的等离子体约束在其中，于是，这种环形的磁场又叫磁瓶或磁笼。
托卡马克装置的主要特点是采用很强的纵向磁场，跟等离子体电流本身产生的角向磁场合成了具有回转变换的螺距很大的螺旋型磁场。这种磁场位形基本上具备了等离子体的稳定三要素，即平行磁场、磁阱和磁剪切，因而它能有效地克服各种宏观不稳定性。
因此，托卡马克是用于生产可控热核核聚变能中的一个最被深入研究的候选类型。事实上，在NIF本次突破之前，托卡马克类型的磁约束研究常被认为是领先于其他途径，是最有可能率先成功的可控聚变方式。
六十年来，全世界共建造了上百个托卡马克装置，在改善等离子体加热和磁场约束上下足了功夫。
在1970年，苏联托卡马克装置T-3上实现了核聚变能量输出，能量增益因子Q值为十亿分之一。等离子体约束时间很短，大多以毫秒计算，由此各国开始建设大型托卡马克的热潮。美国TFTR，欧洲JET，日本JT-60和俄罗斯的T-15，就是表现特别突出的四个研究装置。
1997年9月22日，联合欧洲环JET又创造输出功率为12900千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续时间2秒。仅过了39天，输出功率又提高到1.61万千瓦，Q值达到0.65。
人们发现，托卡马克装置中约束等离子体的磁场，虽然不怕高温，却很不稳定。为了维持强大的约束磁场，需要非常强大的电流，时间长了，线圈就要发热，寿命非常有限。为了解决这个问题，人们把最新的超导技术引入到托卡马克装置中，使磁约束连续稳态运行成为现实。
托卡马克与NIF方式究竟哪个会胜出？
一位研究者告诉笔者：“NIF和托卡马克都是有类似的瓶颈，那就是如何实现能量正收益。托卡马克主要的问题是第一壁的材料，如何长时间约束高温等离子体，实现可自持的核反应。NIF这样的激光惯性约束聚变中，材料问题不是主要问题，毕竟反应的靶丸（capsule）非常小，反应不具有可持续性也是很大问题，然而，反应能量的输出和转移并没有托卡马克成熟。”
目前的中国，我们有自己的托卡马克装置——先进实验超导托卡马克实验装置(EAST)，也是世界上最大的托卡马克装置ITER的重要参与方。ITER于2006年启动，是之前各种技术的集大成者，其目标是产生50万千瓦的聚变功率，离子温度1.5亿度，维持至少400秒，放电3000秒，能量增益Q＞10。
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世界首次激光核聚变点火成功，“人造太阳”指日可待？
2022年12月15日12:00
中国新闻周刊
当192束超高能量的激光束同时轰击一颗胡椒粒大小、装有氘和氚元素的圆柱体时，会产生什么结果？
当地时间12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）开展这项实验，“奇迹”发生了。激光束为圆柱体提供2.05 兆焦耳的能量后，输出了3.15兆焦耳的核聚变能量。12月13日上午，美国能源部与美国核安全管理局专门召开新闻发布会，宣布这一重大突破。美国能源部长詹妮弗•格兰霍姆称，“这是一个具有里程碑意义的成就”，未来将激发更多的发现，为美国国防和清洁能源的发展铺平道路。
一直以来，可控核聚变被认为是“人类的终极能源”，但历经70多年的研究后，仍处在实验阶段。“点火”，即核聚变产生的能量超过激光束打入的能量，是可控核聚变走入现实必要的指标之一。“只有这种情况下，这一装置才有望提供能源，而不只是一个耗电器。”中山大学中法核工程与技术学院副教授王志斌向《中国新闻周刊》解释说，LLNL这次的实验从科学层面证明了，惯性约束聚变可以实现净能量增益。
“这一结果是科学的成功——但距离提供有用、丰富的清洁能源，还有很长的路要走。”剑桥大学核能讲师托尼•鲁尔斯通在英国科学媒体中心上发表评论称。
美国首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”。图/视觉中国
实现“点火”意味着什么？
早在2009年，美国国家核安全管理局在加州的LLNL建成国家点火装置（NIF），在高10层、约有3个足球场大的建筑物中开展前述实验。NIF原定目标是在2012年实现“点火”，但未能如期达成。NIF在此后多年备受争议，业内一度悲观认为，它可能永远无法“点火”。
核聚变是核能的一种形式，指两个轻原子核结合成一个重原子核并产生能量的过程。太阳之所以能发光发热，便是依靠内部不断产生的核聚变提供动力。一个原子核分裂成两个轻原子核，也可以产生能量，被称为核裂变，人们熟知的原子弹、核电站都是采用的这一原理。
核聚变燃料丰富且容易获得，氘可以从海水中提取，氚可以利用丰富的天然锂生产。核聚变也不会产生高放射性的核废物，清洁安全。中国科学院院士、中科院物理所研究员张杰形容，“1立方公里海水所含的氘，经过聚变反应产生的能量，相当于地球上所有石油储备产生的总能量”，如果能开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。
1952年，太平洋的一个无人岛上，美国引爆世界上第一颗氢弹，世界第一次见识到核聚变的威力。“但这些能量是被瞬间释放出来的，如果想要成为民用的能源，能量需要缓慢有序地、受控制地释放出来。”王志斌介绍，这才有了可控核聚变的研究。
想要两个原子核克服电排斥力结合，需要极为苛刻的条件。以太阳为例，其中心有高达1500万摄氏度的超高温，以及约有3000亿个大气压的超高气压。可控核聚变往往被称为“人造太阳”，需要模拟太阳中心的环境。实现可控核聚变有两条主流的技术路径：磁约束核聚变和惯性约束核聚变。
地球上无法实现太阳的超高压，但如果把核燃料加热到1
亿摄氏度以上，原子核便会有足够的动力相互碰撞，发生聚变反应。但一旦到了这一温度，所有固态材料会直接汽化。上世纪50年代，前苏联科学家研制出一个形似甜甜圈的“炼丹炉”，被称为托卡马克装置。它在环形圈内构建磁场约束核燃料，使其不与高温的容器壁接触，可以持续燃烧一段时间，产生能量。此后，世界范围内曾掀起托卡马克建设热潮，美国、欧洲、日本、中国都斥巨资打造了这类大型装置。
而惯性约束核聚变，是通过激光产生巨大压强，使核燃料体积在瞬间变小，密度变大，原子核发生聚变反应。世界上最知名的装置，便是今天的主角：NIF。
目前，各国可控核聚变装置仍在实验阶段。未来想要应用于现实，无论哪种技术路径，都要考虑“投入产出比”，业内称之为Q值。即能量增益因子，指核聚变反应输出能量与输入能量之比。当Q值大于1时，就意味着可控核聚变“不亏本”，产生的能量大于消耗的能量。
1997年，日本声称，其超导托卡马克装置JT-60实现了Q值为1.25。但实验无法重复，而且其中一个指标与国际主流的指标不同。在NIF之前，不少人仍认为，欧洲托卡马克JET在1997年实现的Q值为0.67，是全世界最好的记录。
NIF的突破是循序渐进的。2022年1月，NIF团队在《自然》杂志发表文章提到，已经用1.7兆焦耳的激光发射产出了1.3兆焦耳能量，研究者证明了相关的机制，并称有信心在未来产出更多能量。9月，研究者又重复了这个实验过程。2个月后，NIF实现了“点火”。
“这一实验的成功使行业对可控核聚变的未来也会更加乐观。”王志斌对《中国新闻周刊》说。
相关研究者认为，这个结果能证明，可控核聚变在未来有可能为电网提供稳定的电力负荷，也有可能用于制氢或者供暖等。
曼彻斯特大学核聚变研究人员阿尼卡•汗告诉媒体，这是“有前途和令人兴奋的结果”，但其并没有考虑聚变反应的激光所需的能量，或者过程中的低效与损耗，这些都必须在未来商用时考虑到。因此，“我们离商业核聚变还有一段路要走”，更无法帮助人类应对眼下的能源危机。
王志斌向《中国新闻周刊》解释说，NIF判断的Q值，是原子核吸收和放出的能量之比。但这个过程中，激光器有大量能量损耗，“你可以想象为，从电网取了100瓦的电输入到装置，但真正用到原子核反应堆的电只有25瓦，输出了30瓦的电。现在的Q是用30比25，而不是30比100。”在他看来，未来想要真正实现经济、可靠，核聚变的能量必须高于输入激光器的能量。
“人造太阳”离现实还有多远？
王志斌提到，从获得大规模、经济的能源角度来看，相比惯性约束核聚变，磁约束核聚变离应用到人类的生活中更近，“这是从现有技术看，假如惯性约束核聚变有其他的重要突破，那就另当别论。”
“两种技术路径的目的是不同的。”王志斌介绍，以托卡马克装置为主的磁约束核聚变，更像是“烧煤球”，建设目标是聚变反应堆，输出能源，可用于发电等。惯性约束核聚变更像是“划火柴”，过程接近核爆炸，可以通过这些装置的研究来获取关键参数。
《科学》杂志12月13日直言，NIF 从未计划用于商业发电，主要功能是制造微型核爆炸，并提供数据，以确保美国核武器库的安全可靠。12月13日，美国能源部部长也提到，NIF的工作帮助解决人类最复杂和紧迫的问题，其中包括“在不进行核试验的情况下维持核威慑力”。
武汉大学水利水电学院副教授徐明毅在今年8月发表的一篇论文中提到，出于国防和战略安全考虑，美国、中国、欧盟、英、日等国家和地区都在开展相关研究，这其中包括美国的NIF、中国在运行的最大激光聚变驱动器神光III等。
也有研究者认为，惯性约束核聚变并非不适合提供清洁能源，甚至也可以发挥重要作用。“两条路线都应继续研究，因为它们彼此间能交互很多信息。”英国贝尔法斯特女王大学学者詹卢卡•萨里在接受《新科学人》采访时提到。
除了Q值，可控核聚变未来想要商用，还要尽可能延长反应时间。“只有稳定地燃烧，未来才有可能建成发电站。”王志斌说。
但目前运行的托卡马克装置，聚变反应时间仅能以秒为单位计算。2022年2月，世界上运行中的最大托卡马克装置JET，在实验中做到连续5秒总共产生49兆焦耳的核聚变，刷新自己在1997年创下的记录。去年年底，中国自主设计的东方超环EAST，实现等离子运行达1056秒，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
王志斌强调，目前可控核聚变可以实现Q大于1，只是验证了科学的可行性。未来需要先建聚变示范电站，验证工程上可行。但这类电站投入建造成本高，发电价格远高于煤电或光伏发电，难以商用。最终，可控核聚变的发电成本至少要降到与现有能源价格相近，市场竞争力才会显现出来。“可控核聚变的确有可能是人类的未来能源，但从行业层面想要实现，挑战很大，但也可能100年后用的都是这样的能源。”
在中国，科学家们自1950年代开启聚变研究，1980年代，中国第一个托卡马克装置建成。进入21世纪，由安徽合肥中国科学院等离子体物理研究所设计的EAST，成为世界首个全超导托卡马克装置。此外，还有中国环流器二号A（HL-2A）、中国环流器二号M装置等托卡马克装置，由中核集团核工业西南物理研究院建设，在成都投入实验。
王志斌告诉《中国新闻周刊》，中国的可控核聚变发展，过去是跟跑，如今已和欧美并跑。一个关键节点是，2007年，中国加入国际热核聚变实验堆（ITER）计划。中国与欧盟、印度、日本、美国等，计划在法国共同建设一个世界上最大的超导托卡马克实验反应堆。其中，中国承担项目工程建设阶段18个采购包，即设备零件的制造。项目在2010年开建，计划2025年建成。
中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆曾提到，“加入ITER前，国际主流聚变会议上，几乎没有我们的声音。如今，越来越多中国学者获邀在大会做主题报告、口头报告，甚至担任会议主席”。
业内普遍认为，在ITER成功运作后，国际核聚变研究将往前一大步。但如今，“人造太阳”离应用还有多远？或许可藉用国际上流行十多年的一个玩笑来回答，“核聚变发电仅需20年，而且永远如此”。
7
点火成功后，她泪流满面！
美国可控核聚变背后的华裔女科学家
2022-12-15
13:12:16
新智元报导 编辑：好困Aeneas
【新智元导读】LLNL实验室的惯性约束核聚变项目负责人，是一位华裔女性。
在经历了超过半个世纪的研究之后，科学家们终于取得了惯性约束核聚变从0到1的突破。
12月13日，美国正式宣布，由LLNL建造的国家点火装置NIF成功实现了核聚变净能量增益。
发布会上，一张华裔女性面孔引起了大家的注意——LLNL项目的主要负责人之一Tammy Ma（坐在桌子最左边）。
早在今年春天，白宫就举行了峰会，表示将同时推进惯性约束核聚变和磁约束反应堆（托卡马克）这两个项目。
听到点火成功的消息，我泪流满面
Tammy Ma是Inertial Fusion Energy
Institutional Iniatiative（惯性约束核聚变能源项目）的负责人，这个机构简称为IFE。
在发布会的penal环节，Ma对于IFE项目做了详细介绍。
她表示，这个项目对于发展清洁能源意义重大，同时，他们也面临着科学和工程上的巨大挑战。
而且，项目的成员都清楚地知道：如果他们真的实现了可控核聚变反应的净能量增益，那无疑是做出了值得载入史册的丰功伟绩（monumental undertaking）。
这次'点火'成功，也震动了整个物理学界，让全世界的物理学家们都沸腾了。这不仅意味着聚变能的释放，还表明新科学的大门正在敞开。
单从可控核聚变的角度来说，它几乎没有碳排放，能让人类得到免费的清洁能源，并且由于氢在自然界的丰富储量，全世界的能源危机都能解决。
当然，美国搞这个的初衷，是为核库存研究计划提供所需的数据（LLNL是美国核安全局的下属单位），这也是NIF为什么相对'低效'的一个重要原因。
本次实验的成功，也让美国就可以在不进行传统核试验的情况下，保持核威慑力。
Tammy Ma说，这个爆炸性事件发生时，她还全然不知情。当时，她正准备登上飞机，来DC参加部门的年会，好为核聚变项目的下一步计划做好准备。
就在此时，她接到了老板的电话，老板告诉她：我们的可控核聚变点火成功了（I think we got ignition）！
Tammy Ma顿时喜极而泣。她开心得原地跳起来，候机区的人们都惊讶地看着她。
想起这么多年的辛苦工作，她的眼泪根本停不下来。
对她来说，国家点火装置可以说是'梦中情司'。这些年来，每当她走进国家点火装置，都还会起鸡皮疙瘩。
“能在这里工作真的太神奇了，我为我的团队而骄傲。”
随后，Tammy Ma表示，这次LLNL的成功，无疑会给其他公立和私营机构极大的鼓舞，会有更多机构大胆投入更多的资金和研究力量，与LLNL一起攻克更多的科研难关。
她也非常期待与这些机构的合作，在接下来的几十年内，共同实现惯性约束聚变的规模化。
目前，美国已经在相关的技术上取得了很多全新的进展，比如材料学，竞争与模拟，机器学习等等，LLNL采用了这些全新的技术，让NIF有了全新的激光架构，以及其他先进功能。
她激动地回忆道：激光诱导核聚变的想法，还是LLNL的先锋科学家在60年前想到的。
美国的科学家花了60年，终于把这一想法变成了现实。
在LLNL的14年
作为一位等离子体物理学家，Tammy Ma博士是美国物理学会的研究员，也是劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）国家点火设施（NIF）和光子科学局的高强度激光高能量密度（HED）科学的先进光子技术项目的负责人，并担任LLNL实验室指导研究与开发（LDRD）计划的副主任。
此外，她还是聚变能源科学咨询委员会（FESAC）成员，为与聚变能源和等离子体研究有关的复杂科技问题向美国能源部科学办公室提供建议。
自加入LLNL以来，她领导了NIF的许多惯性约束核聚变实验，开发了新的X射线分析方法，并主持了资助高度创新研究的全实验室LDRD计划。
这些实验的目的是通过使用NIF的192道激光束来压缩含有氘和氚（氢的同位素）的燃料胶囊，实现核聚变点火，这一过程称为惯性约束核聚变（ICF）。
ICF的最终目的是，实现持续的热核聚变，并且释放出比启动反应所需的能量多很多倍的能量。
Tammy Ma于2005年在加州理工学院获得了她的航空航天工程学士学位，并于2008年和2010年分别在加州大学圣地亚哥分校获得硕士和博士学位。
毕业后，她来到LLNL从事博士后研究，并于2012年正式入职。
目前，她参与撰写的期刊论文超过了185篇。
Tammy Ma是2013年总统科学与工程早期职业奖（PECASE）的获得者，2016年因其在量化ICF内爆中的流体力学不稳定性组合的工作而获得美国物理学会颁发的Thomas H．Stix等离子体研究杰出早期职业贡献奖，2018年能源部早期职业研究奖，以及2021年聚变能源协会卓越聚变工程奖。
她还被评为2019年加州第16议会区年度女性，以表彰她对教育的承诺，以及指导和鼓励那些与她一样对科学充满热情的年轻学生。
爱买鞋的实验物理学家
在2014年，Tammy Ma曾作为国家点火装置的实验物理学家接受过一次采访，以下是采访内容：
我的母亲在十几岁时就移民到了加拿大，因此她并没有机会上完高中，更不用说大学了。所以我的父母总是会和我们强调教育的重要性。
但即便如此，他们也从未给过任何压力，只是希望我们能找到一个喜欢的职业，同时还能过上一个稳定、舒适的生活。
现在，我和我的哥哥都成为了一名物理学家，而且我们也对自己所做的工作非常非常有激情。
可以肯定的是，科学特别适合我的个性，因为它非常直截了当，没有感情色彩。这就像在学校里做数学题一样，总是会有一个正确的答案。
但要找到真理，不仅需要大量的创造力，而且还要经历自己在这个过程中走错的很多步骤。
就像我们正在研究的'点火'，便是一个非常困难且具有挑战性的问题。
因为我们以前从未按照这些疯狂的规格建造过这么大的目标，也从未在这些密度、这些温度和这些极端条件下进行过物理学研究。
如果出了问题，我们从来不会责怪对方。毕竟这只是物理学，这是自然，这就是我们试图弄清楚的东西。
作为一个实验物理学家，我喜欢呆在实验室里，在计算机上设置实验并进行分析。
我们会一起想出一个实验的想法，设计人员会去尝试建立模型，看看它是否有意义，然后实验人员会想出一种方法，并在NIF上进行设置。
一旦设置完成，我们就会开始实验。等到数据回传之后，我们便会对其进行分析，试图理解和解释数据。
之后，我们再次聚在一起，研究下一步可能会是什么。这是一个连续的循环，但它很有趣。
我想对年轻科学家或在校学生说的是，科学是艰难的，也是具有挑战性的，这就是科学的根本。
有些时候，你的成绩可能会不那么理想，你的实验可能会遭遇失败，甚至想转到另一个更容易的选题或专业。
但如果你喜欢科学，就一定要坚持下去。
最后，她还提到了自己的减压方式：去购物。
我会离开办公室，到处走走。看看这，摸摸那，再买几双鞋子。
说到鞋子，我现在有58双，而且还不包括人字拖。
你知道的，我是一个加州女孩。在整个大学生涯里，我都穿的是人字拖。
下面这个小故事可以告诉你，她们是有多喜欢人字拖：
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一杯水就能给你家发电，但可能还要等30年
新浪财经APP 出品| 虎嗅科技组
作者| 丸都山 陈伊凡
编辑| 陈伊凡
头图| 视觉中国
12月13日，位于美国加利福尼亚洲的劳伦斯利弗莫尔国家实验室里，研究人员宣布了一次重大突破——首次在核聚变反应中实现了能量的净收益，即产生的能量比输入的能量更多。
尽管，这个过程仅持续了不到一秒。白宫科学顾问Arati
Prabhakar在美国能源部举行的新闻发布会上表示，这是一次科学的里程碑事件，是人类通往清洁能源的道路。
如果核聚变能够投入到商业化发电中，能够提供一种清洁能源，既没有化石燃料产生污染，也能够避免核电站所产生的危险废物。
只是，这种理想的终极能源，究竟何时方能实现商业化？业内人士预计，要实现核聚变的商用化，至少还需要20年-30年。
人类的终极能源形态
自工业文明诞生以来，人类社会共经历两次重大能源变革：蒸汽与电力。这两项基于对化石能源的应用，让人类科技发展速度呈指数级上升。但受限于较高的开采和运输成本，以及高污染的特性，如何替换化石能源成为困扰世界的难题。
1942年12月2日，在康普顿领导的美国芝加哥大学的冶金实验室里，首次取得了受控制的原子核炼式裂变反应，这标志着人类正式叩响核能的大门。十年后，人类历史上的首座商业核电站动工建设。
也是在这一年，第一颗氢弹“Mike“在太平洋珊瑚岛上被引爆。其能量释放当量为1000万吨TNT，这是美国当年在广岛投下的原子弹威力的500倍。如此惊人的能量释放吸引了众多科学家前赴后继地投入到对它的探索中，他们研究的目标只有一个，如何让这种能量作为商业能源被人类所使用。
不过，聚变反应的商业化难度要远远高于裂变反应。需要说明的是，两者发生的条件完全不同，通俗来讲，核聚变就是小质量的两个原子合成一个比较大的原子，核裂变就是一个大质量的原子分裂成两个比较小的原子。
太阳中，每时每刻都在发生着核聚变反应。其通过引力，对聚变的燃料产生约束，在引力约束下，日核区的氢会不断发生聚变反应，从而释放出巨大的能量。
千万不能小看这些氢原子的能量。由于核聚变所使用的原料是氢和其同位素，一升的海水，所含的氢的同位素氘完全聚变所释放的能量，相当于300升的汽油。一杯水中的氘加上一点氚，可以为一座房子提供一年的电力。
当聚变反应发生时，瞬时温度可以高达上亿摄氏度，因此想要利用这种能量的前提是，必须有一个容器能够承受如此高的温度，但没有任何一个地球上的物质能够扛得住这个高温。
显然，如果从材料学的角度去解决容器问题肯定是行不通的。
1954年，苏联库尔恰托夫原子能研究所提出了“托克马克装置”，简单的说，该装置其实就是在一个大型真空容器里面注满气体，然后把气体电离变成等离子体，再用强磁场把带电粒子控制住，让它在真空容器里面悬浮起来。
虽然托卡马克装置耐高温，但在实际应用中，约束等离子体的磁场很不稳定，这一问题至今仍未得到有效解决。
比如目前世界纪录的保持者“东方超环”，这个由中科院等离子体所自主设计的磁约束核聚变装置，曾在去年12月创下了”在1.2亿摄氏度下稳定运行101秒“的业界纪录。但如果想要实现商业化，这个稳定运行的时间单位至少要以天来计算。
东方超环（EAST），图片来源：视觉中国
可控核聚变另一项技术难点是，如何解决能量增益Q值大于1的问题。由于等离子体在加入过程中能量会不断损失，因此科学家们以Q值衡量核聚变反应的能效比，当数字大于1时，就说明在反应过程中，核聚变产生的能量已经大于投入的能量。如果这个前提无法满足，则可控核聚变的商用化无从谈起。
1997年，全球最大的托卡马克装置（JET）在一次实验中Q值达到0.67，这也是此前有证可查的Q值中最接近1的一次。在此后20余年的时间里，虽然JET在峰值功率上屡次突破新高，但Q值反而却在降低，在去年12月的一次实验中，JET实现了5秒内产生59兆焦耳的持续能量，而Q值仅为0.33。
这也很好地解释了，为什么这一次劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）公布的成果会如此令人振奋。
根据LLNL公开的数据，在本次核聚变实验中，共向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到135%。
不过需要说明的一点是，LLNL声称的135%能量收益，是从激光能量输入来算的，并未将电能转化未激光过程中的能量损耗算进去，严格意义来说，这并不能算是Q值实现1的突破。
但无论如何，LLNL迈出了可控核聚变技术探索中的关键一步。
实现商业化还需要时间
“这只是可控核聚变的一小步，但确实是人类科技的一大步。”中科创星创始合伙人米磊谈到此事时难掩激动，“我认为可控核聚变将是一个能够超越瓦特蒸汽机效用的'革命性科技'。”作为一家以早期投资为主的风险投资机构，中科创星选择在今年开始布局可控核聚变领域，并已经投资了三家国内的初创公司。在米磊看来，国内在可控核聚变的投资上，还处于一个政府主导的时期，现在，VC也已经开始介入了。
一份由核聚变工业协会和英国原子能机构出具的《2021年全球核聚变产业》报告中提及，据不完全统计，截至2020年，全球可控核聚变的私人公司一共有23家。
数据来源：《2021年全球核聚变产业》
在全球可控核聚变公司的目标市场中，主要有发电、航空推进、船舶推进等方面，其中，发电方面的市场最多，占据95.7%。
数据来源：《2021年全球核聚变产业》
实现核聚变的方式有三种，引力约束、惯性约束和磁约束。根据核聚变工业协会的那份报告显示，目前全球可控核聚变所采用的方式多以磁约束为主，通过磁场，对带电的原子核产生洛兰兹力从而进行约束，星环聚能创始人陈锐在一次公开演讲中就提及，如果可以长时间稳定地约束聚变的等离子体，就能够实现可控的核聚变。
国际上的主流做法是建设ITER这种大规模装置，通过更大尺寸来提高聚变堆的功率。这是一条更为稳妥的道路，但投资金额几乎要到上千亿元。在法国和英国的ITER项目里，研究人员通过一个巨型甜甜圈形状的机器来尝试实现核聚变，这个甜甜圈中，装着叫做托卡马克的巨型磁铁。将氢燃料放入甜甜圈中，此帖被打开，内部温度上升，产生等离子体。等离子体的温度需要比太阳的核心温度高10倍，中子才能逃离等离子体，然后撞击在托卡马克壁上，将这种动能转化为热量。
美国在可控核聚变上走得更早也更快。2020年9月，在《等离子物理学杂志上》，孵化于美国麻省理工学院的初创公司Commonwealth
Fusion Systems宣布了一项基于可控核聚变的突破，这项研究中，提到了小型化可控核聚变反应堆的新进展。研究人员表明，在使用了新型高温超导材料后，其设计的反应堆能够达到与国际热核聚变实验堆（ITER）同等级别的性能指针，但体积只有后者的2%。Commonwealth Fusion Systems为可控核聚变领域的商业化提供了一个新的可能。
米磊投资星环聚能的时候，他和团队在北京交流了两个小时。这是一家商业聚变能开发企业，以建成商业可控聚变堆为目标，专注于小型化、商业化、快速迭代的可控聚变能装置的设计、建设、运行和研发。其技术源自在球形托卡马克领域拥有20年经验的清华大学工程物理系核能所聚变团队。
2022年6月，星环聚能宣布完成天使轮融资，投资方有中科创星、昆仑资本、顺为资本、九合创投等。
米磊表示，目前可控核聚变领域在商业化中所要解决的难题还有很多，对于人类控制磁场和控制光波的光子能力提出了很高的要求。如何做出超强稳定的激光器、如何稳定生成超强的磁场，是现在商业化的难点。
但米磊也表示，对于初创公司来说，可以把技术拆解来看，只要在某个方向实现技术突破，就可以申请专利，收取专利费也是一种商业模式。另一方面就是如果掌握一些技术或者设备，就能够衍生出很多上下游的产品和服务，可以卖配件、激光器、特种光纤等，还有可能被一些发电公司并购。
如果与半导体最尖端的光刻机的投入相比，米磊表示，在可控核聚变上的投入更大、更难、回报周期可能会更长。他表示，要实现核聚变的商业发电，可能需要20年-30年的时间，“如果能够在2050年就实现，我认为已经符合预期了。”米磊说。
米磊表示，任何一项技术都有自己的上限，不管是第一次工业革命的蒸汽机，还是第二次工业革命的内燃机，都会受到技术瓶颈的制约，当人类还有特别好用的技术的时候，人类文明是没有那么多动力和资源去投入到新技术的。如今，能源危机之下，动力比原来更足了，实现商业化的时间也将会压缩。
9
专访中国工程院院士杜祥琬，可控核聚变美国成了吗？
凤凰网科技讯12月15日消息（记者/蒋浇），美国能源部宣布，在加利福尼亚州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL），研究人员首次在核聚变反应中产生“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的激光能量。
人类探索核聚变已经有几十年的历史，但长期以来聚变反应总是无法实现净能量增加，即消耗能量总是超过反应产生的能量。
中国工程院院士杜祥琬
因此，美国宣布首次实现聚变点火，旋即引发了科学界的轰动。有乐观的议论认为，一劳永逸地解决能源问题已经出现曙光，核聚变有望数十年或更长时间内实现商业化，它将为人类带来真正清洁、无限能量的能源。
美国激光核聚变成功点火，能否破解人类能源难题？
中国工程院院士杜祥琬接受凤凰网采访时表示，美国国家点火装置实验目的，不是给人类提供能源解决思路，而是核武器研究。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室
一、解决能源问题的曙光？
核聚变是模仿太阳的原理，使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核，结合期间释放出大量能量。与化石能源相比，核聚变反应不排放二氧化碳，与目前广泛应用的核能（核裂变）相比，它既不会产生核废料，辐射也极少，因此被称为清洁能源的“圣杯”。
此前，美国国家点火设施已进行了多次核聚变实验，最好的成绩是产出和投入能量比为70%，仍然是净能量损失。这一次的不同之处在于，核聚变反应产生了大约2.5兆焦耳的能量，大约是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%，输出能量大于输入能源。
对此，美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆表示，美国首次成功在核聚变反应中实现净能量增益是一项“里程碑式的成就”，这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。
不过，相较于乐观的美国专家们，中国工程院院士杜祥琬对这一实验成果保持了更谨慎的看法。他在接受凤凰网采访时表示，美国国家点火装置实现的净能量增益，是科研上的进展，但离产生上百倍的高增益目标还差得很远，更不说提变成真正清洁、无限能量的“人造太阳”。
他还指出，美国国家点火装置实验目的，不是给人类提供解决能源问题的思路，而是核武器研究。
据悉，美国国家点火装置由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行，它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国核武器储备的维护提供指导。
美劳伦斯利弗莫尔国家实验室
杜祥琬认为，LLNL的核聚变增益属于聚变物理范畴，不太可能为人类能源问题提供解决思路。他解释道，人们真正用于能源的核聚变，是一种非爆炸性的可控的核聚变。
根据实验分析，LLNL核聚变反应释放了大约3.15MJ的能量，比进入反应的能量多大约54%，是之前1.3MJ记录的两倍多。不过，虽然聚变反应产生了超3.15MJ的能量，但NIF在此过程中消耗了高达322MJ的能量，大约是3.15MJ的102倍。
二、与美国相比，我国的“人造太阳”现在处于什么水平？
目前为止，人造太阳的途径目前有两个：一是磁约束核聚变，另一类就是此次成功点火的激光核聚变。
中国工程院院士杜祥琬向我们解释了激光核聚变的原理。劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）“国家点火装置”的研究人员使用了192束激光，从两端向一个圆柱体发射激光束将能量注入，而圆柱体中一个仅有半个气枪BB弹大小的靶丸受到挤压，球内的氘氚聚变燃料被“点燃”，产生出能量。
磁约束核聚变的具体应用为托卡马克装置，通电后托卡马克内部会产生巨大的螺旋型磁场，将悬浮其中的等离子体加热到一个较高温度，最终引发核聚变。
杜祥琬指出，对于两种技术路线，学界主流认识认为，托卡马克装置的磁约束核聚变实现商用化更有希望，是真正走向聚变能的技术途径。
目前，全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER），即采用了托卡马克装置。ITER是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，同时是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。
2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆（ITER）项目启动协议。今年11月，中国负责的其中一个关键组成部分，增强热负荷第一壁首件制造完工。
据介绍，中国核能发展实施“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略，在磁约束和惯性约束聚变上均有研究。目前，中国磁约束核聚变技术的研究上已处于世界前列。
2021年12月我国合肥东方超环实现了1056秒长脉冲高参数等离子体运行，是之前保持记录的2倍还多；今年10月，中国新一代“人造太阳”HL-2M等离子体电流突破100万安培，创造了中国可控核聚变装置运行新纪录，标志着中国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步。
EAST被称为中国的“人造太阳”
三、人类距离用上核聚变能源有多远？
无论是哪条技术路线，核聚变商业化广泛应用，将人造太阳变成现实，都预计仍需要很长时间。
LLNL主任基姆·布迪尔（Kim Budil）表示，实现核聚变商业化可能需要数十年，核聚变技术还需克服诸多障碍，包括实现每分钟完成多次聚变点火，并拥有稳健的驱动程序系统等。“我们的计算表明，激光系统有可能实现数百兆焦耳的产量，实现产量的目标是有途径的。”但我们现在离实现那个目标还很远。”
杜祥琬表示，核聚变没有原理性的障碍，但是技术比较困难。想要大规模使用聚变能，最大的挑战是要有高密度高温的条件，需要反应维持足够长的时间，并且科学家们能够大幅降低他们的成本。“我没有聚变专家那么乐观，但实现地球上造一颗人造太阳，本世纪是可以看到的。”
杜祥琬还指出，可控核聚变能够多广泛应用在人类的生活和工作中，取决于它多经济，现在全球科学家都还在努力探索。不过，可控核聚变获取能源也只是人类探索清洁和可持续能源的出路之一，其他的可持续和清洁能源同样可以研究和利用，如太阳能( 6.980 , -0.09 , -1.27% )、风力、水力、地热等能源。
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中国「人造太阳」核融合试验
创运行纪录突破100万安培放电
香港01撰文：许祺安
出版：2022-10-21 10:45
中科院合肥物质科学研究院有「人造太阳」之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）项目10月19日取得突破性进展！HL-2M等离子体电流突破了100万安培（1兆安），距离聚变点火迈进重要一步，创造中国可控核聚变装置运行新纪录。
据介绍，等离子体电流强度是托卡马克核聚变装置的核心参数，等离子体电流达到1兆安是其实现聚变能源的必要条件，未来托卡马克聚变堆必须在兆安培电流下稳定运行。新突破象征该装置未来可以在超过1兆安培的等离子体电流下常规运行，开展前沿科学研究。
中核集团核工业西南物理研究院聚变科学所副所长钟武律分析称，新一代「人造太阳」是大陆目前规模最大、参数能力最高的磁约束核聚变实验研究装置，它采用先进的结构与控制方式，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达到1.5亿度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行。
钟武律指出，该装置的核心部件都是中国自主设计制造，「它是实现我国核聚变能开发事业跨越式发展的重要依托装置，也是我国消化吸收世界最大国际合作项目之一——国际热核聚变实验堆（ITER）技术不可或缺的重要平台。」
今年一月，中科院合肥物质科学研究院有「人造太阳」之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
据了解，中国早在1950年代就开展核融合研究，其参加国际核融合科学研究项目，以2006年跟欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了「国际热核聚变实验堆」（ITER）项目启动协议为主。钟武律指出，中国技术从过去的「跟跑」转变为「并跑」，部分技术达到国际水平。
《 联合报》整理公开资料指出，中国大陆核融合研究早在1955年钱三强、李正武等科学家提议开展「可控热核反应」后开展。1965年核西物院成立后，先后发展脉冲磁镜、角向箍缩装置、仿星器、超导磁镜、反场箍缩装置和托卡马克等多种类型的磁约束聚变研究装置。
中国环流器二号 M 装置（HL-2M）在成都正式建成。（人民日报）
托卡马克装置始自1984年的「中国环流器一号」（HL-1），2020年12月4日，中国环流器二号 M 装置（HL-2M）在成都正式建成，并实现首次放电。HL-2M 是中国目前规模最大、参数最高的先进实验超导托卡马克核融合反应试验性装置，属于国家「九五」重大科学工程。
由于核聚变原理和太阳发光发热原理相似，因此像 HL-2M 这样的托卡马克装置，在中国也被称之为「人造太阳」。
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中国团队率先突破：
全球最大「人造太阳」核心部件首件制造完成
香港01 撰文：陈进安
出版：2022-11-24 11:00
据中核集团核工业西南物理研究院消息，全球最大「人造太阳」国际热核聚变实验堆（ITER）的核心部件、被喻为ITER「防火墙」的增强热负荷第一壁，周二（22日）完成首件制造，取得重大进展。其核心指标显著优于设计要求，具备批量制造条件。这亦标志中国全面突破「ITER增强热负荷第一壁」关键技术，在该项核心科技中持续领先。
据《澎湃新闻》报道，探索开发聚变能源的ITER工程是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，由中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯、美国共同参与建造，其中中国承担的任务约占9%。该巨型工程属现时正建设的世界最大的实验性托卡马克核聚变反应堆，位于法国卡达拉舍，使命是展示聚变发电的可行性。
而「人造太阳」其实是一种通俗的说法，因托卡马克是进行可控核聚变研究的主流装置，利用强磁场把上亿摄氏度的等离子体长时间控制在真空容器中，并使聚变反应稳定持续地进行。其产生能量的原理与太阳相似，遂被外界形像地称之「人造太阳」。
ITER增强热负荷第一壁首件。 （光明网）
中国ITER采购包中，绝大部分涉核部件的研制任务皆由西南物理研究院承担。增强热负荷第一壁直接面对芯部一亿度高温等离子体，是ITER最关键的堆芯部件，涉及聚变堆建设的核心技术。在中国国际核聚变能源计划执行中心指导下，西南物理研究院承接ITER增强热负荷第一壁全尺寸原型件研制，团队成功批量制备增强热负荷手指部件后，与贵州航天新力科技有限公司合力攻关，克服高温、限电、疫情等困难，解决了一系列技术难题，成功完成部件的焊接装配。
报道指，中国团队领先国际完成首件制造，再次为ITER关键部件的研发取得实质性工程突破。而稳步推进ITER任务实施，将为中国下一步建造聚变工程试验堆和商用电站奠定坚实基础。
此前，由西南物理研究院自主设计建造的新一代「人造太阳」装置（HL-2M）在2020年12月建成并实现首次放电，。今年10月19日，新一代「人造太阳」科学研究更取得突破性进展，等离子体电流突破100万安培，创造国内可控核聚变装置运行新记录，标志中国核聚变研发距离聚变点火迈进重要一步。
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探索核聚变能源应用
中国「人造太阳」EAST运行1056秒创世界纪录
香港01 撰文：朱加樟
出版：2022-01-02 16:00
近日，中科院合肥物质科学研究院有「人造太阳」之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。
核聚变能源的原材料在地球上几乎取之不竭，排放无污染，被视为「终极能源」。EAST是国家发改委批准立项的国家重大科技基础设施，拥有类似太阳的核聚变反应机制，用来探索核聚变能源应用。
新华网12月31日报道指，实现核聚变发电的两大难点是实现上亿摄氏度点火和稳定长时间约束控制。EAST装置实验运行总负责人龚先祖表示：「2021年上半年，我们把电子温度1.2亿摄氏度等离子体维持了101秒，这次我们是把电子温度近7000万摄氏度的长脉冲高参数等离子体维持了1056秒，注入能量达到1.73吉焦。这是两个不同阶段的目标，千秒等离子体运行的实现，为未来建造稳态的聚变工程堆奠定坚实的科学和实验基础。」
中科院合肥物质科学研究院副院长、等离子体物理研究所所长宋云涛表示：「千秒量级等离子体运行再次挑战了世界托卡马克纪录，我们全面验证了未来聚变发电的等离子体控制技术，推动其从基础研究向工程应用迈进了一大步。」
报道又指，目前1兆安的等离子体电流、电子温度1亿摄氏度的等离子体、1000秒的连续运行时间，上述三个条件在EAST上已分别实现。
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中美“激战”核聚变
来源：钛媒体
2022-12-14
2022年，全球资本在这一领域投资数额比2021年（报告时间）增长139%，过去一年投资近200亿元人民币。核聚变的“SpaceX时刻”正在到来。
美国科学家在被誉为“人造太阳”的核聚变能源领域，取得重大科学技术突破，使我们离近乎无限清洁能源的潜在来源又近了一步。
北京时间12月13日23点，美国能源部和美国国家核安全局（NNSA) 联合宣布，加州劳伦斯利佛摩国家实验室（LLNL）科学家采用“惯性约束聚变”方法，即用世界上最大的激光撞击一个微小的氢等离子体颗粒，使用实验性质的核聚变反应炉，在过去两周的一次可控聚变实验中实现聚变点火，获得了“净能量增益”（Net Energy Gain）（Q＞1）。
美国能源部表示，本次国家点火装置（NIF）通过192束激光器，将超过200万焦耳的紫外线能量传送到一个微小的燃料颗粒，以产生聚变点火，实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，产生的能量比投入的能量多50%以上。
据媒体报道，整个实验设施耗资35亿美元，最新实验数据分析仍在进行中。
这一技术成果有三大里程碑式突破：首次证明了惯性聚变能 (IFE) 的基础科学能力；美国正朝着核聚变发电厂建造，以及无限、零碳能源的目标迈出了关键一步；有望应对世界能源价格高企和迅速减少化石燃料燃烧的需求。
今年12月5日，LLNL国家点火设施的靶室正在产生聚变点火
（来源：美国能源部，图片略经调色）
“这是伟大的一天，这项成就将载入史册，”美国能源部长格兰霍姆（Jennifer
Granholm）表示，这是一项具有里程碑意义的成就。NIF研究人员和工作人员让聚变点火成为现实，无疑将激发更多发现。她还指出，这一研究工作将帮助我们解决人类最复杂和最紧迫的问题，比如提供清洁能源来应对气候变化，以及在没有核武器的情况下维持核威慑力测试。
“这次美国的点火装置实现了输出大于输入，因输出有聚变能，输入的是激光能量。实验成功的标志就是出大于入。所以，这次是一个进展，他们要发布的就是这个。但离商用能源还远，主要因为总的效率太低，他们肯定拿能源说事。”一位资深核物理学家如此评价，“中国也在做类似工作，目前进展全球范围中美领先，应该说是美国走在我们前面。”
实际上，相较于美国，中国在可控核聚变方面已多方位布局，实现了世界领跑。
今年10月，中国“人造太阳”装置的等离子体电流突破100万安培，创造新纪录；国内多家核聚变研究的民营企业今年获得了风投机构的青睐，红杉中国、蓝驰创投、中科创星、蔚来资本、联想之星等机构早已跑步进场。
作为全球最重要的两大经济体，在未来净核聚变、零碳共同目标下，中国和美国正就“可控核聚变”领域展开技术创新竞争。
过去这一年，中美等全球资本向这一领域投资也已接近200亿元，较上一年比增长了139%。
投资超1300亿，研究核聚变的作用是什么？
实际上，随着化石能源日渐稀缺，以及降低温室气体排放等碳中和碳达峰目标，利用核反应产生能量的核能和平开发利用逐渐受到重视。
据国际原子能机构给出的定义，“核聚变”是模仿太阳的原理，使两个较轻的原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。核聚变产生的能量非常大——是核裂变反应的四倍。
理论上，只要有几克反应物，就有可能产生一太（万亿）焦耳——这大约是发达国家的一个人在60年内所需要的能量。
（图片来源：国际原子能机构）
尽管许多科学家认为核聚变发电站还需要几十年的时间，但这项技术的潜力不容忽视。
与化石能源相比，核聚变反应不排放二氧化碳。而与目前广泛应用的核能（核裂变）相比，核聚变不会产生核废料，辐射也极少，理论上可以至少为一所房子提供数百年的电力。
核聚变是大自然最普遍的能量来源。一旦能够实现可控的核聚变，人类将获得几十亿年取之不尽的能源，其重要性不言而喻。因此，核聚变技术被视为清洁能源的“圣杯”。
自20世纪50年代以来，物理学家一直试图利用为太阳提供动力的核聚变反应，但没有一个小组能够从核聚变反应中产生比其消耗更多的能量。
过去的几十年里，热核聚变研究形成了两大技术分支：一是磁约束聚变，主攻方向是托卡马克装置，比如中国的东方超环 (EAST) 、国际热核聚变实验堆(ITER)等装置；另一研究分支是惯性约束聚变，包括激光聚变、轻重离子束聚变及其它装置。
1985年，作为结束冷战的标志性行动之一，时任美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫在瑞士日内瓦峰会上倡议，由美国、苏联、欧洲、日本共同启动ITER计划，以携起手来探索人类未来核能和平利用。
2001年11月，ITER计划实施的谈判开始，中国也开始与三方接触。2003年，中国和韩国加入该计划。
ITER组织成员国合影
直到2006年11月，ITER计划的投资方国家才最终确定——中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共七方联合投资建造，计划2025年实现第一次等离子体放电。而2020年8月，ITER聚变设施的组装启动仪式正式在法国举行。
截至目前，ITER计划是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，目的是通过建造反应堆级核聚变装置，验证和平利用核聚变发电的科学和工程技术可行性。
在高达180亿欧元（约合1324.34亿元人民币）的项目总投入中，欧盟作为东道主出资45%，美国、中国、日本、俄罗斯、印度和韩国各出资9%。
根据规划，ITER的工厂将产生大约500兆瓦的热能，如果持续运行并与电网相连，这将转化为大约200兆瓦的电力，足以供应大约20万个家庭。最终目标是要建造一个可自持燃烧（即“点火”）的托卡马克核聚变实验堆，以便对未来聚变示范堆及商用聚变堆的物理和工程问题作深入探索。
ITER结构图（图片来源：券商研究报告）
ITER装置运行与发展大体分为三个阶段：
第一阶段：主要目标是建设一个氘、氚燃烧能产生5×105 kW聚变功率、聚变增益系数Q=10、脉冲维持大于400s的托卡马克聚变堆，将产生与未来商用聚变反应堆相近的氘、氚燃烧等离子体，供科学家和工程师研究其性质和控制方法；
第二阶段：将探索实现稳态高约束、高性能“先进燃烧等离子体”，聚变增益系数Q=5、脉冲维持大于3000s，从而更快建造托卡马克型商用聚变堆。
第三阶段：探索实现高增益的燃烧等离子体，接近商用聚变堆的建造目标；以及包括进一步研究和发展能直接用于商用聚变堆的相关技术。
据媒体报道，美国、印度近几年已经不再向ITER计划投资，只给了国内采购包的经费，普遍预计这一设施进展将被推迟。目前，ITER计划已汇集了全球35个国家力量，这些国家占世界人口的60%以上，占全球国内生产总值的80%以上。
美国计划2035年建造核聚变发电厂
尽管ITER计划已经囊括全球大部分国家和机构，地球上的很多人都能在其中获得未来无限能源分享。但是，有实力的发达国家和发展中国家都希望在这场“核聚变竞争”中获得技术领先，因此，美国等50多个国家开始单独开展核聚变和等离子体物理相关技术研究。
根据国际原子能机构公布的数据显示，目前全球在运营的核聚变装置有96座，在建的核聚变装置有11座，计划建设的装置则有29座。其中，公共事业机构旗下的核聚变装置总数为107座，装置数量排名前五的国家分别是：美国、日本、俄罗斯、中国和英国。
最近两年，作为核聚变装置总量最多的国家，美国开始重视核聚变工程的发展，并公布了路线图计划。
2021年，美国国家科学院、工程和医学院联合发布一份93页的报告《将核聚变引入美国电网》，称美国将在2035-2040年建造可运行的核聚变发电厂，并表示到2050年，美国电力公司将全面向零碳发电进行转变。
美国聚变试验工厂的开发和运行路线图（来源：报告）
为了更好贯彻这份计划，去年8月，美国政府LLNL团队宣布产生1.37兆焦耳的能量，是世界上最接近净能量增益的一次，打破纪录。
今年早些时候的一场白宫核聚变能源战略发布会上，两党核聚变能源核心小组主席、国会议员唐·拜尔（Don
Beyer）说出了美国要发展核聚变的原因：“自火发明以来，核聚变比其他任何发明都更有潜力使世界上更多的公民摆脱贫困。”
针对此次试验，据英国《金融时报》，LLNL的国家点火装置（NIF）在最近两周一项使用激光的惯性约束聚变实验中取得了重大突破，首次实现了聚变反应的净能量增益，即Q大于1。报道称，这项实验的聚变反应产生了大量能量，由于高于预期的能量输出损坏了一些诊断设备，后续分析变得复杂。
美国白宫科技政策办公室主任阿拉蒂·普拉巴卡（Arati Prabhakar）表示：“一个多世纪以来，我们对核聚变有了理论上的了解，但从了解到实践的过程可能是漫长而艰巨的。今天的里程碑表明，我们可以坚持不懈（发力核聚变技术）。”
伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心联合主任Jeremy Chittenden对此评价称，“这是一个真正的突破性时刻，非常令人兴奋”。不过他也表示，尽管从核聚变中获得净能量是一件大事，但与为电网供电和为建筑物供暖所需的能量相比，它的规模要小得多，距离真正的无限能源时间还比较长。
“这相当于烧开10壶水。为了把它变成一个发电站，我们需要获得非常多的能源。”Chittenden表示。
等离子体物理学家Arthur Turrell博士则表示，人类将见证一个历史时刻。“自20世纪50年代以来，科学家们一直在努力证明核聚变可以释放比投入更多的能量，而劳伦斯利弗莫尔的研究人员似乎终于彻底打破了这个几十年的目标。”
不过，这份研究成果在多家媒体报道之后，在业内的质疑声不断。一个阅读量达553万的相关知乎问答下，多数答主认为，美国政府对该研究的技术成果有所夸大，实际进展不如预期，很难实现商用等。
知乎答主@physixfan表示，此次公布的净能量增益（Q＞1）是指聚变产生的中子的能量除以输入的激光的能量之比；而并非输出电能到输入电能之比，其中存在能量增益的夸大，两者能量增益差125倍之多。如果从电能开始算起，而不是从激光能量开始算起，那么NIF实现的能量增益也就0.008而已，并非大于1。他还强调，NIF作为惯性约束聚变的实验装置很难再把成绩提高。
另一位知乎答主@赵冷 认为，按照NIF激光器的实际效率和热机将聚变放出的热转换为有用功的效率，不计其他问题，这装置现在的状态不可能对外净输电。“装置内部充电本身也有损耗，实际能耗更大”，所以他认为整个实验成果有存在夸大，进展并不如媒体报道的那样高。
而知乎答主指出，整个系统的输入能量大于400兆焦，输出能量小于1兆焦，远没达到系统能量正增益的平点。知乎用户@Quantum1024 则认为，这一实验所做的惯性约束路线主要的发展还是军事用途，而非商用。
设计师对2050年核聚变反应堆的渲染图
（来源：AL_A for General Fusion）
实际上，相较于核裂变，核聚变虽有众多优点，但目前仍处于研究第一阶段。要提高产能，扩大商业化、普及化，多数专家认为，最快恐怕得等到2050年。
一年投资近200亿
全球VC奔向“人类终极能源”
中国也正在大力研究可控核聚变技术。
上世纪80年代，中国制定了“三步走”——热堆、快堆、聚变堆的核能发展战略，随后加入ITER，进一步推动中国聚变能源研究进入国际阵营，主要为建成中国自己的核聚变反应堆做准备。
科技部核聚变中心副主任王敏曾表示，通过参加ITER计划，中国无论是在聚变技术上还是国际大科学工程管理上都有大幅度提升。可以说，在ITER七方中，中国是进步最快、加速度最大的一方。
与此同时，1960年开始，中国以“托卡马克”为主要研究途径，利用此技术先后建成并运行三大聚变反应堆：华中科技大学的J-TEXT装置、核工业西南物理研究院的HL-2M装置和中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、素有“人造太阳”之称的EAST全超导托卡马克装置（东方超环），向ITER提供结果。
2020年12月，中国新一代“人造太阳”装置——中国环流器二号M装置（HL-2M）在四川成都的核工业西南物理研究院正式建成并实现首次放电；
2021年12月，中国“人造太阳”EAST成功实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行，成为世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行，打破世界纪录；
2022年10月，中国宣布EAST装置的等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造可控核聚变装置运行新纪录，让中国核聚变研究实现从跟跑、并跑到领跑的跨越。
根据规划，中国以现有中、大型托卡马克装置为依托，瞄准国际核聚变前沿课题研究，其在磁约束聚变领域建立了近期、中期和远期技术目标：
最终到2050年，中国或将发展聚变电站，探索聚变商用电站的工程、安全、经济性。
中国“人造太阳”装置负责人、中科院合肥物质科学研究院副院长李建刚表示，中国如果从2040年开始建聚变电站，每年建10个，2050年以后一年建20个，到本世纪末就能建1000个，由此可以减少85亿吨二氧化碳排放，再加上15%可再生能源，“就可以不用烧煤，也不用担心能源安全。”
从历史上看，核聚变能源领域的研究一直是由政府主导、大型公共资助的实验室完成，比如牛津大学的欧洲联合环状反应炉、美国LLNL实验室等。
但近年来，随着硬科技投资趋势热潮来临，以及中国对新能源的高度重视，一批商业资本、风险投资开始涌入了核聚变能源的民营公司。
谷歌、高盛、盖茨基金会、红杉中国、蓝驰创投、中科创星、顺为资本、和玉资本、险峰长青、联想之星等国内外机构都已经在这一领域布局。
今年2月，探索可商业化聚变能源技术企业“能量奇点”宣布完成近4亿元人民币的首轮融资，米哈游和蔚来资本领投，红杉中国种子基金和蓝驰创投跟投；今年6月，仅成立一年的商业聚变能研发公司“星环聚能”宣布完成数亿元天使轮融资，中科创星等10家知名机构参与投资。
“从大环境来讲，很多欧美国家都在关注核聚变，并且在核聚变领域取得了突破性进展。而传统方式需要大量专家团队和费用上的投入。能量奇点团队利用了新的技术变革去加速这方面的研发。团队具有强大的人才技术背景与沉淀，通过使用AI和超导材料加速研发的进度，而且成本也在很大程度上得到削减。”蓝驰创投投资总监孙登科告诉钛媒体App，对于投资机构来说，如果该核聚变公司的技术能够造一个太阳，其想象空间是巨大的。
但据钛媒体App编辑统计观察，中国资本近年布局的规模，跟全球资本统计数据比起来，占有率依然是凤毛麟角。
根据核聚变工业协会（Fusion Industry Association）公布的数据，在截至2022年6月底的12个月里，全球核聚变公司筹集了28.3亿美元（约合195.37亿元），接近200亿元投资，使民营企业迄今的投资总额达到近49亿美元（约合341.9亿元）。2022年，资本在这一领域投资数额比2021年（报告时间）增长139%。
统计的可控核聚变初创公司的成立时间信息
加拿大核聚变公司通用聚变 (General Fusion）的首席执行官Chris Mowry曾直言，“聚变行业的SpaceX时刻”已经到来。据悉，该公司计划于2025年开始运营，目标是在2030年代初期出售反应堆，希望完成商用产品交付。
多家国外核聚变公司对英国《自然》（Nature）杂志表示，这一技术迟早会被破解，实用的核聚变似乎一定浮出水面。“公司开始在政府可以建造的水平上展开商用。在不到十年的时间内实现这一目标的机会非常大。”
仅2022年，全球核聚变民营企业数量达到33家，其中有6家公司的融资额超过了2亿美元。
不过，有多位业内专家警告，目前核聚变依然存在标准化工作、资本支持、自主技术的商业化应用等问题亟待解决。
首先是标准化工作。
今年8月，中国核工业集团旗下智库——中核战略规划研究总院有限公司、核工业标准化研究所工程师团队在《标准科学》期刊上发文指出，新形势下，中国核聚变标准化工作仍面临系统布局谋划不足，缺乏顶层设计和整体规划；项目与标准化工作联动不够，技术转化标准速度慢；平台优势利用程度不足，国际化交流深度不够；标准化文化建设不足，人才队伍培育机制不完善等问题。
其次是资本支持。
相对于物理机制研究，目前可控核聚变大型实验装置需要大量资金，而政府资金支持不够是民营企业面临的重大挑战。事实上，美国对于聚变的经费投入在过去几十年来基本维持不变，通胀调整后呈现逐年递减。而本来最有希望的ITER项目，则由于国际合作龃龉以及工程一再延期，给这一行业未来蒙上阴影。
核工业标准化研究所团队在论文中建议，中国应聚焦核聚变领域发展需求，完善核聚变标准化顶层设计，加强重大科技项目与标准化工作联动机制，加强国际交流，积极开创核聚变国际标准化工作，探索标准成果转化和应用示范，加强标准化人才队伍建设等。
“中国的聚变能发展路线图已初见端倪，核聚变标准作为中国早日实现独立自主大规模建设聚变电站的技术储备，仍需不断深化和发展。”上述团队强调，中国科技创新实力正不断飞跃与突破。
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