背景
2022年12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（NIF）将2.05兆焦耳的激光聚焦到一个非常小的聚变燃料丸上释放了3.15兆焦耳的聚变能量[1,2]。NIF实现了核聚变领域在过去半个多世纪里一直追逐的目标：输出的能量>输入的能量。这是可控核聚变的一个里程碑式突破。那么，到底什么是核聚变呢？
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（来源https://lasers.llnl.gov/about/what-is-nif
核聚变
核聚变又称核融合或聚变反应，是将两个较轻的原子核相互碰撞形成较的重原子核，同时释放出大量能量的过程[3]。注意：在此过程中，并没有遵循物质守恒原理。聚变的原子核的部分物质被转化为光子。理论上，原子都能转化成能量。正如爱因斯坦最著名的质能方程所描述的那样：
E=mc²
核聚变过程中的质量（m）差会以能量（E）的形式释放出来。由于光速（c）非常大，因此，即使非常小的质量也能转化为非常巨大的能量。在发生核聚变时，两个带有正电荷的原子核会相互排斥。因此，需要提供一个足够的原始能量才能使它们克服库伦斥力从而紧密的结合在一起。恒星的能量就是通过核聚变而来，比如太阳。
氘
氘（dao）含有一个中子和一个质子；氚（chuan）包含两个中子和一个质子。它们是氢的两种同位素。在一定的温度和压力下，氘和氚的原子核会聚变形成氦核。氦核（又称为α粒子）的质量略小于氘核和氚核的质量之和。在这个过程中，发生了质量和能量的转换。需要提及的是，核聚变的原料氘在海水中储量丰富。但是，原料氚则比较缺乏。一个可能的解决办法是利用核聚变本身产生的氚。
图1. 核聚变反应示意图
（来源https://lasers.llnl.gov/science/pursuit-of-ignition）
聚变反应堆
聚变反应堆可以分为惯性约束聚变反应堆和磁约束聚变反应堆。而NIF就是一种惯性约束聚变实验装置。体育场大小的NIF能精确地对多束强大的激光进行引导、放大、反射和聚焦，让它们在很短的时间内射向一个只有厘米大小的空心圆柱体（被称为腔靶）。在腔靶中有一颗非常小的燃料丸（胡椒粒大小），燃料丸的原料是氢同位素——氘和氚。
然而，利用核聚变最关键的一点是核聚变点火。那么，什么是核聚变点火呢？核聚变点火是指聚变反应所产生的能量等于或大于输入能量的时刻。NIF所控制的核反应的输出能量大于输入能量，表明NIF已经成功地实现了点火。在聚变反应堆中，当核聚变点火成功，聚变反应就会释放出一些粒子（α粒子），这些粒子就会加热等离子体，加热后的等离子体会释放出更多的α粒子，最终形成一个能够自我维持的反应[4]。体育场大小的NIF对192束强大的激光进行引导、放大、反射和聚焦产生2.05兆焦耳的激光能，并通过核聚变产生了3.15兆焦耳的聚变能。达到了输出大于输入的目的。但在这个过程中，NIF的192个激光器消耗了300兆焦耳的能量。从这一点看出，激光器的效率是比较低的。如果能提高激光器的效率，将可以大大提高系统的整体效率。并且，3.15兆焦耳的能量要满足我们实际应用的需求是远远不足的。
核裂变
谈到核聚变，我们不得不提及另一个与核相关的反应——核裂变（又称核分裂）。核裂变是指较重的原子分裂成较轻原子的一种核反应形式。原子弹以及裂变核电站或是核能发电厂的能量来源都是核裂变[5]。比如铀，加热后铀原子放出中子，中子再去撞击其它原子，从而形成链式反应而自发裂变。但是，核裂变有燃料熔化的风险，以及令人讨厌的有辐射的副产品。而核聚变则没有这些缺点，是更为安全的核反应方式。几十年来，核聚变一直是能源领域的“圣杯”，具有极大的发电潜质[6]。成功的核聚变即使前景广阔，有希望成为无限能源。相比化石燃料（石油、煤炭、天然气）、太阳能、风能或水力，核聚变不会产生任何温室气体；无需依赖于所需自然资源的可用性。目前，核聚变被认为是最清洁、低碳、低风险、低废弃物、可持续和可控的。
图3. 核裂变示意图
（https://lasers.llnl.gov/science/pursuit-of-ignition）
总结
自20世纪50年代初以来，核聚变反应的研究一直在进行。NIF首次在实验室中见证核聚变输出的能量超过其输入的能量。但是，在核聚变能，还有许多其他需要克服的问题。接下来的研究重点是如何能提高效率。在核聚变成为一种可行的能源并真正投入广泛应用之前，我们还有很长的路要走。
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