记者 钟松君 金弘彬
北京时间12月13日23时，美国能源部宣布了一项历史性成就：美国科学家的核聚变实验从聚变中产生的能量，超过了用于实验的激光能量，实现核聚变“净能量增益”。
净能量增益：里程碑式的成就
据美国有线新闻网报道，12月5日，美国加利福尼亚州劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的科学家团队，在国家点火装置实现这一突破。该设施有一个体育场这么大。
科学家们向目标投入了2.05兆焦耳的能量，并产生了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。
美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆13日说，科学家第一次复制了只有在恒星和太阳中才有的条件，这一突破是“里程碑式的成就”，将解决人类最复杂和最紧迫的问题，如提供清洁能源以应对气候变化。
利弗莫尔研究所所长金·布迪尔博士说，这是“人类有史以来最重大的科学挑战之一”，为科学家的工作喝彩。
“实现这一目标是科学、工程的胜利，最重要的是人类的胜利。”布迪尔在声明中说，“跨越这一门槛是推动60年不懈追求的结果。”
“这几乎就像是发令枪响了。”麻省理工学院等离子体科学与聚变中心主任丹尼斯·怀特教授说。
原理
太阳与氢弹
太阳已烧了50亿年，据说还有50亿年可以燃烧。科学家通过研究太阳的光谱发现，太阳是由氢元素和氦元素组成的，太阳在不间断地核聚变。
原子弹通过核裂变释放能量；氢弹通过核聚变释放能量，轻核子（如氘或氚）瞬间结合成较重的元素（如氦），同时释放大量能量。在氢弹中，原子弹是“引爆器”。
目前的核电站是通过核裂变获取能量的，使用的原料是铀和钚。正在研究中的热核反应堆，则试图用核聚变获取能量，使用的原料是氢。
氘与氚
最容易实现的聚变反应，是氢的同位素氘（读如“刀”）与氚（读如“川”）的聚变（同位素就是具有相同原子序数而质量不同的核素。每种元素都有多种同位素，它们的化学性质几乎相同）。
氘与氚发生聚变，将两个原子核结合成一个氦原子核。结合过程中，放出一个中子，以及17.6兆电子伏特能量。
海水中大约每6500个氢原子中有一个是氘原子，每升水中有30毫克氘，发生聚变后，可产生的能量相当于300升汽油。一座1000兆瓦的核聚变电站，每年需要304公斤氘。
万亿分之三毫米
原子核都带正电，互相排斥，两个原子核越近，静电斥力也就越大。但近到相距万亿分之三毫米时，它们的核力起作用，吸引力超过静电斥力，两个原子核就聚合到一起，同时释放出巨大能量。
这就是核聚变的原理。
氢的同位素质子数最少，只有一个，所以互相间静电斥力最小，其中氘-氚聚变又最容易。
这是科学家为什么首先考虑氘-氚聚变的原因。
用核聚变方式发电，不是打仗时扔氢弹，而是要发电，那就要将核聚变的能量控制起来，才能利用。
五大难题
上亿摄氏度高温
要让两个原子核接近到万亿分之三毫米，必须使它们处于等离子状态运行，互相撞击。这需要超高温。
要控制核聚变反应，就要限制规模，有节奏地进行。科学家认为，可行的办法是，控制核聚变燃料的加入速度和每次加入的数量。
因此，核聚变装置中，气体密度只能在常温常压下气体密度的几万分之一，对能量的约束，也要有足够长的时间。
比如，一个箱子中装的乒乓球越多，乒乓球互撞的概率越大。但不能让乒乓球密集碰撞，免得无法控制，发生氢弹爆炸，那就要减少乒乓球数量。乒乓球太少，但又必须让它们碰撞，这样就要让乒乓球加快运动。
在核聚变装置中，加快运动的方法是提高温度。
温度如果有太阳中心那么高，在充满氢的太阳上是足够发生聚变反应了，在人类发电用的核聚变反应堆中则不够，需要上亿摄氏度的高温。
这样高的温度，怎么达到呢？氢弹是用原子弹爆炸来“点火”的，可是总不能向热核反应堆扔个原子弹吧，那样的话，温度有了，其他什么都没了。
这是核聚变首先遇到的难题。
科学家的办法是用激光“点火”。激光输出功率达到100万亿瓦时，就可以点燃核聚变，使物质达到极高温。
装太阳的托卡马克
高温是获得了，更难的难题也来了：
怎么让高温保持一段时间以便达到聚变？
这就像是说，用什么材料做成的容器，才可以装下太阳？甚至装下比太阳温度更高的东西？
苏联物理学家塔姆在上世纪50年代提出建造这一容器的设想：将强电流产生的极向磁场，与环形磁场结合，来约束高温等离子体。
另一名苏联物理学家阿奇莫维奇试做了几个。他先是在环形陶瓷真空室外，绕很多线圈，用电容器放电，使真空室形成环形磁场。同时用变压器放电，使等离子体电流产生极向磁场。后来用不锈钢代替陶瓷，改进线圈工艺，增加线圈。终于，他造出了一个高温等离子体磁约束装置。阿奇莫维奇把它命名为托卡马克。
托卡马克中形成的磁场，又叫磁瓶或磁笼，它不接触有形物体，因此不怕高温，可以把超高温等离子体举在空中。
抓住高温等离子体
托卡马克同时解决了第三个难题：等离子体扩张问题。
超高温的等离子体，有强烈向外扩张的特性，必须约束住它们，绝对不让它们与四周容器壁接触。
托卡马克的总磁场，由大小两个磁场叠加而成：
一个是沿大环形的圆形磁场，磁力线沿大圆环旋转；
另一个是沿圆环截面的小环形弱磁场，磁力线沿小圆环缓慢旋转。
这样磁力线形成螺旋线。正离子和电子在磁场中各绕一圈，互换了位置，但整体还是保持电中性。
在磁场约束下，高温等离子体不会向外逃逸，也就不会破坏托卡马克的装置。
普通托卡马克装置体积庞大，效率也较低。上世纪末，科学家把超导技术用于托卡马克装置，使基础理论研究和系统运行参数得到很大提高。
放电时间
可控核聚变的第四大难题，是放电的持续时间。
以前，世界上大多数托卡马克装置都是数秒级的放电，后来法国的超导托卡马克Tore-Supra，首先取得重大成果，第一次将放电时间延长到120秒。据报道，目前中国的HT-7超导托卡马克已突破1000秒。
买卖总是从蚀本开始
上世纪70年代后，世界上掀起了托卡马克的研究热潮。到上世纪80年代，美国、欧洲、日本和苏联各自建造了一个大型托卡马克。这4个托卡马克，在可控核聚变研究上，都做出了极其重大的贡献。
建在英国的欧洲联合环（JET）是由14个欧洲国家合资的。
1991年11月，JET将含有14%的氚和86%的氘混合燃料加热到3亿摄氏度，聚变能量约束时间达2秒，反应持续1分钟，产生1018个聚变反应中子，聚变反应输出功率约1.8兆瓦。1997年9月，又创造了新纪录：输出功率达12.9兆瓦，达到输入功率的60%。
——60%？输入100瓦，输出60瓦？这不是蚀本买卖吗？
所以，第五大难题是，如何让核聚变在能量上不亏损，获得“能量净利润”。
未来
三种核聚变方法
2005年6月28日，欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和中国签订协议，决定在法国建设国际热核反应堆。这个计划始于1985年，并于1987年达成合作设计建造协议的。
据报道，到21世纪初，全世界有30多个国家和地区在研究核聚变，运行的托卡马克装置有上百个。
也有不走托卡马克这条路的。
《大众机械》2020年9月的文章说，NASA用了一种新方法，叫做“晶格约束核聚变（LCF）”。据称LCF可能会更便宜，更小，更安全，可以作为托卡马克项目和仿星器项目的代替方案。
仿星器最早是普林斯顿科学家莱曼·斯皮策在1951年提出并建造的。2015年德国启动了一个仿星器项目。
这，会不会核泄漏？
通常说，聚变发电有三大好处：一是原料取之不尽，二是没有污染，三是没有核泄漏危险。
地球上有40万亿吨氘。有人计算，用海水中的氘聚变发电，够人类使用60亿年。地球上有2000多亿吨锂，虽然比氘少得多，也非常丰富。氚可以用锂制造。
污染是有的。与普通的裂变核电站不同，聚变不产生千年不分解的核废料，因此可以说清洁能源。但聚变会产生寿命较短的辐射物质，需要对反应堆定期维护。
据报道，聚变反应堆废料数量与同等功率的裂变核电站相当。与核电站一样，聚变反应堆不产生加剧温室效应的气体。
国际热核反应堆的磁环，800多立方米中，只装几克氘和氚。如果环形装置内部平衡被打破，聚变就骤止。因此聚变反应堆不会发生重大泄漏事故。
何时能用上聚变电？
那么，我们什么时候能用上核聚变的电力？
伯恩斯坦说，要能实际应用，为电网供电，需要更多的实验和大规模复制，需要几年或几十年。但聚变科学在加速发展，他说：“一年或15个月后会发生啥，我也不晓得。”
罗彻斯特大学教授、激光聚变专家里卡多·贝蒂说，聚变反应中获得了净能量非常重要，但这一成果到获得可持续电力，路还很长。
“你还是没发动机，你还是没轮胎。”贝蒂说，“你不能说你有车。”