美国加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）国家点燃实验设施（NIF）在2023年12月发布的一份报告显示，他们在2023年已至少3次成功复制“点火”。科学家向一个装在胡椒粒大小钻石胶囊里的氢燃料颗粒发射了192束激光，而该胶囊本身装在一个金制圆柱体内。激光加热圆柱体的外部发生一系列非常快的爆炸，由此产生的大量能量被作为热量收集起来。这一过程被称为“点火”。

    核聚变反应条件需要3个参数表征

    20世纪，物理学家爱因斯坦发现，发生核反应前原子核的质量和发生核反应后生成的原子核的质量相比，如果出现了质量亏损，那么亏损的质量就会以一定形式的能量释放出来。这就是所谓的原子能，又称为核能。

    中国核学会原秘书长潘传红介绍说，两个较小的原子核聚合成一个中等的新的原子核时也会出现质量亏损，为了与大原子核分裂成碎片过程中释放的核裂变能相区分，我们把这种核能叫作核聚变能。

    利用核聚变能是21世纪最大的科技挑战之一。中核集团核工业西南物理研究院副研究员肖国梁曾在接受科普时报记者采访时介绍，可控核聚变以约束方式分类主要有3种，分别为以太阳为例的引力约束聚变、以激光聚变为代表的惯性约束聚变、以托卡马克装置为代表的磁约束聚变。

    “两个原子核聚合起来变成一个较重的原子核并释放能量的过程，要求非常苛刻。我们知道，两个原子核都是带正电荷的，当两个正电荷靠得很近的时候，它们的排斥力会变得巨大。”潘传红介绍了核聚变反应发生的基本条件，“温度要达到1亿摄氏度以上。原子核密度要达到一定水平，不能太稀薄，还需要一个很好的能将能量约束的环境，不至于让高温环境很快地崩溃掉，这叫作能量约束时间。当密度、温度和能量约束时间3个参数的乘积层级达到某一个门槛值的时候，才会发生核聚变。”

    意义重大，还需提升能量增益

    NIF装置用192束激光对禁锢的氘氚燃料颗粒进行四面八方地压缩，使之在极短时间内达到高温、高密度的核反应条件，在氘氚原子核还没来得及飞散开来的时候就发生了核聚变反应。“这需要消耗很高的激光能量，只有当产生的核聚变能超过输入的激光能量时，我们才能说它实现了核聚变的‘自持点火’”。

    2023年7月30日，NIF装置的激光向目标发射了略高于2兆焦耳的能量，产生了3.88兆焦耳的能量。根据报告，这是该装置迄今为止达到的最高能量产额。随后在当年10月进行的两次试验也都有净的能量收益。

    “如果一次试验引发了核聚变反应，我们可以认为它是一种巧合。”潘传红介绍说，美国第一次在NIF装置上实现了核聚变“点火”后，他们首先要验证这种“点火”是可以重复的，只有重复验证后才可能为下一步研究提供数据和经验。

    尽管目前实现了多次核聚变“点火”，但是整个系统的能量增益还需要提高。NIF装置注入1份激光能量，实际上消耗50份的电能，因为电转化为激光能仅有2%的效率，也就是说，2兆焦耳的激光能实际消耗了100兆焦耳的电能。

    “至少3次成功复制‘点火’的意义很重大，它是人类历史上第一次在人工控制的环境下，实现了核聚变反应，因此，其意义毋庸置疑。”潘传红表示，“但是要走向核聚变能源实用，除了多次重复试验之外，还需要获得更高的能量增益，此外还需要解决一些与核聚变发电相关的工程技术问题。”