核聚变里程碑：为何重复“点火”至关重要，以及为何无限能源时代尚未到来

科学家们宣布了什么——以及为什么头条新闻称其为“具有历史意义”

2022年12月，美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的研究人员报告了一项重大的实验室成果：一项惯性约束聚变实验产生的聚变能超过了传递给微型燃料靶丸的激光能量，这一状态长期以来被称为“点火”。该实验从射向氘-氚靶丸的约 2.05 兆焦耳激光中释放了约 3.15 兆焦耳的聚变能——这清楚地证明了受控聚变可以在靶级水平上短暂地产生净能量。这一声明之后，随后进行的追加实验多次达到或超过了该阈值，将一次性的成功转化为了可重复的科学范式。(llnl.gov)

简单讲解 NIF 实验的工作原理

在国家点火装置 (NIF)，由 192 束高功率激光组成的阵列轰击放置在金色“黑体腔”（hohlraum）内的毫米级燃料靶丸。激光脉冲加热黑体腔，产生 X 射线使靶丸发生内爆，并压缩氘-氚燃料，直到温度和压力高到足以发生聚变反应。聚变反应产生 α 粒子和中子；α 粒子的加热效应随后可以在极短的时间内放大燃烧——这种瞬态自加热被研究人员称为“燃烧等离子体”，在有利条件下，它会导致点火。(llnl.gov)

重要进展——NIF 持续提高产率

LLNL 不仅仅证明了一次点火。在随后的几个月和几年里，该团队报告了多次达到点火且产率稳步提高的实验（shots）：2023 年和 2024 年的实验产生了更大的聚变输出，LLNL 还公开描述了持续到 2025 年的纪录性实验，将目标产率推向了数兆焦耳范围，其中 2025 年的一项实验报告称，在约 2.08 兆焦耳的激光脉冲下实现了 8.6 兆焦耳的产率。这些可重复的结果至关重要，因为它们将对话从“点火能否发生？”转向了“什么样的条件和设计能产生高且可重复的增益？”——这是迈向任何基于相同物理原理的能源生产构想的必要步骤。(lasers.llnl.gov)

为什么这一发现是科学里程碑——以及它不是什么

区分“净能量”的两种不同含义非常重要。NIF 实验实现的净能量是相对于入射到燃料靶丸上的能量而言的——即实际拦截并压缩微型颗粒的能量。这是一个基础性的科学里程碑：它证明了在合适条件下，实验室聚变释放的能量可以多于局部驱动器提供的燃料能量。但设计一座发电厂需要一个截然不同的衡量标准：发电厂向电网输送的电能必须超过整个设施运行激光器、泵、冷却系统、靶材制造等所消耗的能量。NIF 的激光架构使用大型闪光灯泵浦放大器，整体“插座效率”（wall-plug efficiency）非常低，因此运行单次兆焦耳级实验所需的电能比传递给靶丸的能量要大几个数量级。弥合这一差距是一项规模完全不同的工程挑战。(cambridge.org)

仍存在的工程障碍

• 驱动器效率和重复率。 发电厂需要一个驱动器（激光、粒子束、磁系统），能够高效地将电网电能转化为聚变驱动能量，并能每秒点火多次。NIF 的激光器并非为高重复率而设计；目前的惯性约束聚变 (ICF) 发电厂方案依赖于二极管泵浦激光器和其他技术，这些技术可以将插座效率提高几个数量级，但这些系统仍面临规模化、成本和可靠性方面的挑战。(cambridge.org)
• 靶材制造与经济性。 NIF 使用的微型冷冻燃料靶丸既脆弱又昂贵。商业惯性聚变发电厂需要单价仅为几美分的批量生产靶丸，以及自动化的注入和跟踪系统——这与今天的实验室靶材相比是一个巨大的飞跃。(platodata.ai)
• 燃料供应与氚增殖。 大多数近期聚变概念依赖于氘-氚燃料，但氚在自然界中十分稀缺，必须在反应堆内部使用锂包层（lithium blankets）进行增殖。设计、测试和运行一个可靠的氚增殖和处理系统，仍然是任何氘-氚 (D–T) 反应堆的核心工程问题之一。(nap.nationalacademies.org)
• 材料与中子损伤。 氘-氚聚变释放出高能 14 MeV 中子，会损伤反应堆壁和内部组件。能够承受数十年持续、高通量中子轰击的材料仍是一个活跃的研究领域；预计维修和组件更换将成为主要的成本和可用性驱动因素。(nap.nationalacademies.org)

前进之路：研究人员计划如何将实验室成果转化为发电厂

研究人员和公司正从多个方面攻克这些问题。对于惯性聚变，目前正在开展工作，用二极管泵浦固体激光器取代效率低下的闪光灯泵浦，这有望将插座效率从不足 1% 提高到百分之几甚至百分之几十；同时设计具有更高靶增益的靶材和驱动器几何结构，使聚变产率远超驱动器输入。磁约束工作（托卡马克和仿星器）遵循不同的路线：它们的目标是维持高温等离子体更长时间并稳定提取热量，这使得工程挑战转向了不同配置下的持续材料性能和氚增殖。这两种方法——以及一系列混合或新兴概念——可能会共同为长期解决方案做出贡献，而不是产生单一的赢家。(cambridge.org)

这对能源和气候意味着什么

如果聚变能够实现实用化，拥有可靠的燃料循环、耐用的材料和良好的经济性，其优势将是令人瞩目的：极高的能量密度、运行期间无碳排放，且与裂变相比遗留废物更少。最近的 NIF 工作将一个古老的科学问题转变为更接近工程计划的任务，因为它在实验室环境中证明了物理可行性。但工程师们仍需要设计出能将这种物理原理转化为千瓦时的系统，且成本和可靠性要达到公用事业公司和监管机构可接受的水平——这一过程可能需要数年或数十年，而非数月。(llnl.gov)

底线结论

LLNL 重复的点火实验是一个真正的里程碑：它们证明了受控聚变可以在靶级水平产生净能量，并且相关物理学现在有了更坚实的基础。这使得问题从“聚变是否可能？”转变为“我们能多快解决使其变得实用的工程问题？”答案将取决于高效率驱动器、靶材的大规模生产（针对惯性路径）、稳健的氚增殖以及新型耐辐射材料方面的进展。进展正在加速，但将实验室中转瞬即逝的恒星能量转化为稳定、实惠的电力，仍然是一项重大且值得追求的工程挑战——全球的国家实验室、大学和公司都在竞相解决这一难题。

— Mattias Risberg, Dark Matter, Cologne