真是不看不知道，一看吓一跳啊，刚看到自然杂志发表一篇新闻文章，说美国从去年到现在，竟然已经实现4次核聚变点火了，还有两次Q值略大于1，没有算点火成功，还谦虚了一把。碎碎念了几十年的可控核聚变，竟然一下子就成了常态，你是不是还没有回过神来？
不光是你，可能全世界都还没有回过神来，不是因为激光点火惯性太大，而是托卡马克磁性太强，把大家的思维都给死死地粘住了，恍然间措“脑”不及，这两天都还在炒世界上最大的托卡马克装置，日本超级先进的JT-60SA首次“点火”成功。问题是它这点火和美国激光点火，根本就不是一码事，人家美国点火是已经点燃氢聚变，实现输出能量大于输入能量，日本这点火只是生成了等离子体，离核聚变点火八字都还没有一撇，甚至压根儿就没有设定核聚变点火的目标，因为大家都知道，这个所谓超级先进的装置，根本也实现不了，而要看10年后国际热核聚变装置ITER有没有希望。
但人家美国能源部就抢先回过神来了，近日已经宣布，要火力全开，一口气建三个惯性聚变能（IFE）国家研究中心，把人造太阳的重点转移到惯性约束上。托卡马克永远离成功还有20年，大家真的已审美疲劳，不抱希望了吗？激光人造太阳，真的能为我们带来取之不尽，用之不竭的清洁能源吗？美国真的已遥遥领先了吗？
氢聚变成常态
我们先来看这张图片，一目了然，来自美国国家点火装置所在地，加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室，从去年12月5日第一次实现氢聚变点火，到今年11月6日试验的结果。橙色圆圈代表输出能量，蓝色圆圈代表输入能量。圆圈大小表示能量大小，单位是兆焦耳，右侧几个圆圈最大的是4兆焦耳，中间最小的是0.1兆焦。
2022年底第一次点火成功，输入能量2.05兆焦，输出3.15兆焦，能量增益，也就是Q值1.54，说明氢聚变产生的能量是输入能量的1.54倍。
第二次和第四次分别在2023年6月和9月，两次输出能量只略高于输入能量，科学家们比较谦虚，认为不算点火成功实现氢聚变。
第三次是7月30日，输入能量2.05兆焦，内爆后产生了3.88兆焦的聚变能，增加了89%，Q值1.89，创下了新的纪录，圆圈也是最大的。
然后就是10月也成功了两次，都实现了净能量收益。最近的一次是10月30日，激光能量提高了7%，输入达2.2兆焦，但输出为3.4兆焦，没能再次打破纪录，但科学家们已经发现，激光脉冲的微小变化，燃料胶囊的微小缺陷，都可能导致不完美的内爆，了解了哪些变量在起主要作用，以后的试验可以怎样控制它们，这意味着国家点火装置的可控氢聚变，已经成为常态，可以向着更高的目标前进了。那么国家点火装置是如何做到的呢？
托卡马克的辉煌
首先我们要简单回顾一下托卡马克，最早的人造太阳都聚焦于托卡马克装置，上世纪70年代到80年代，世界上陆续建成了5个大型装置，美国两个，日本、欧洲和俄罗斯各一个，俄罗斯的基本没有正常地运行。
1995年5月，美国托卡马克装置TFTR，创造了5.1亿℃的世界纪录，比太阳中心的温度还要高25倍多。但仅仅过了一年，日本JT-60就打破了这一纪录，等离子体温度高达5.22亿℃，并一直保持至今。另外，JT-60还保持着核聚变装置三重积，即等离子体密度、约束时间，和温度乘积的最高纪录：1.77×10^28 K·秒/立方米，直到2021年8月才被美国国家点火装置打破。所以人们对日本JT-60的升级版，JT-60SA寄予厚望，大炒特炒也就不足为奇了。然后就是欧洲的JET，1997年就实现了Q值=0.67，迄今仍没有托卡马克装置能够打破。
80年代底能源危机结束，美国没有动力再搞托卡马克，再加上实验暴露的问题很多，整体感到悲观，美国提议欧洲、日本、苏联一起搞，开始设计国际热核聚变装置ITER。后来中国和韩国加入，分别建造了两个更先进的托卡马克装置，为ITER提供实验数据，这两个装置也你追我赶，不断刷新约束时间的纪录，但也没有点燃氢聚变的计划，所以托卡马克装置到现在为止，究竟能不能实现氢聚变，仍然是一个问号。
国家点火装置
可能是看到托卡马克没有什么希望，美国在1990年代转向惯性约束，开始设计建造激光驱动的国家点火装置（NIF），但主要目的并不是核聚变发电，而是全面禁止核试验条约签署后，无法再进行核爆炸试验，于是想通过激光试验更新核爆知识，维持现有核武库或开发新的核武器。
国家点火装置的原理，是利用三个足球场大小的设施和装置，产生世界上最强大的192束激光，从四面八方同时轰击位于中心的氘氚胶囊，导致其内爆，形成类似太阳内部的高温高压环境，从而点燃氢聚变。内爆的峰值速度高达350公里/秒，比光速的千分之一还强，可以把燃料的密度，从水的密度提高到铅密度的100倍，也就是从约1克/立方厘米，提高到1公斤/立方厘米以上，温度可以达到数亿度。
国家点火装置从1997年开工建设，2009年完工，开始用于材料科学和武器研究。在不断地改进升级后，NIF终于在2021年，打破了欧洲托卡马克装置JET的Q值纪录，达到了0.7。美国人一看，咦，有戏，马上开始雄心勃勃，要第一个在地球上实现可控氢聚变，结果就是我们前面看到的，2022年12月5日，NIF以1.54的Q值，制造出了地球表面的第一个人造太阳。
虽然这个人造太阳小得可怜，但它无可辩驳地证明，可控氢聚变在地球上绝对可行，彻底点燃了科学家们对核聚变发电的信心和热情。各国的私营企业也开始摩拳擦掌，开始投资惯性约束或磁约束，或者两者结合的核聚变能源项目，总资金已达数十亿美元，最早的甚至信誓旦旦，要在2028年开始供电。然而未来真的就那么美好吗？
道阻且长
国家点火装置总投资33亿美元，连国际热核聚变装置，预计耗资650亿美元的零头都不到，却率先实现了氢聚变点火，净能量收益，估计很多人压根都没有想到。
那么是不说人造太阳已经箭在弦上，很快就要实现了呢？事情恐怕没有这么乐观，要真正实现惯性约束人造太阳发电，还有很长的路要走，最终走不走得通，现在也没有人知道。
首先就是国家点火装置的净能量收益，Q值大于1，虽然可以说是货真价实，从零到一实现了可控核聚变，但这个收益是胶囊处产生的，也就是说胶囊聚变后释放的能量，大于激光到达胶囊时的能量。但为了产生这个激光能量，整个系统还要耗费超过100倍的能量，要把这个100缩小到1，可能还有非常漫长的路要走。
于是就有了前面说的美国能源部，宣布要投资4200万美元，分别在利弗莫尔国家实验室，科罗拉多大学和罗彻斯特大学，建3个惯性聚变能国家研究中心，集合其他数十家国家实验室，大学、研究机构和能源公司的力量，全力开展激光聚变的研究，打造一个惯性聚变科学的生态系统，把惯性聚变从低增益、单次实验，转向高增益和高重复率，并最终建成核聚变发电厂，提供清洁高效、无碳排放的核聚变能源。
不得不说，美国似乎每一步都踩得贼准，上世纪70年代全力搞托卡马克，90年代看到劳而无功，就扔给了欧洲和其他国家，自己搞激光聚变，现在论证可行，一下子就把其他国家远远地甩开了。可怜其他国家还在托卡马克的路上苦苦挣扎，一直认为托卡马克才是人类的希望，才是最有希望的人造太阳，脑袋被磁约束越来越强大的磁场吸住，难以切换。
当然，包括我现在也认为，国际热核聚变装置的成功可能只是时间问题，毕竟已经投入了那么多，试验了那么久，论证得那么深，不成功简直是天理不容。不过惯性约束更像是点火开关、火花塞，和现在我们惯用的很多系统类似，是不是也值得研究一下呢？花的钱也不会有那么多，即使失败，ITER也是一个保底，不会有多大的损失，美国人就看得很通透。
你认为激光惯性约束核聚变能源会成功吗？欢迎朋友们留言讨论。
《自然》文章：https://www.nature.com/articles/d41586-023-04045-8
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