人类首次! 加州理工华裔女科学家带团队实现人造太阳实验重大突破

历经几十年，可控核聚变的里程碑终于到来。史上首次，人类实现了输出能量大于输入能量的可控核聚变。这一过程被称为点火（ignition）。

人类历史上第一次意义重大的能源进步，是对火的控制和利用。如今我们再次举起火把，让人造太阳不再是天方夜谭。

几十年的里程碑，人造太阳的一大步12 月 13 日，加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室宣布，首次成功在核聚变反应中实现净能量增益（即产生的能量超过了消耗的能量），在可控核聚变的道路上更进一步。

这些陌生的名词可能让人雾里看花，先让我们了解一下可控核聚变的概念。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素——氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了 50 亿年，恒星其实就是一个个的天然核聚变装置。

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比起核裂变、焚烧化石燃料，核聚变有很多好处：它不排放碳，不产生核裂变般的核辐射和核废料；由于核聚变需要极高温度，一旦燃料温度下降，聚变反应就会自动中止；一小杯氢燃料，理论上可以为一所房子提供数百年的能源。所以，聚变能是一种接近无限的、清洁的、安全的新能源。

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聚变是宇宙的能量来源，发生在太阳和恒星的核心.如果人类能够以可控的方式，复制太阳的聚变反应，那会怎么样？

这种可控核聚变的愿景，被俗称为人造太阳。可控核聚变的终极目标，是让海水中大量存在的氘在高温条件下发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源，替代化石原料和常规核能，且资源耗损远低于太阳能和风力发电。

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相关研究从上世纪 50 年代就开始了，困扰科学家的地方在于，聚变反应消耗巨大的能量，如何让产生的能量超过消耗的能量。难上加难的是，能量还得持续稳定地输出，不能昙花一现。

12 月 5 日，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，通过惯性约束聚变技术，终于实现了净能量增益的聚变反应，朝着人造太阳更近了一步。研究人员将 192 束巨型激光射入一个橡皮擦长度的镀金黑腔，强烈的能量将容器加热到超过 300 万摄氏度，容器内装有胡椒粒大小的燃料颗粒。

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激光的靶子很小，但是靶室很大.激光不断反射加热，最终产生 X 射线。X 射线剥离了颗粒的表面，引发了类似火箭的内爆，将温度和压力推向了只有在恒星、巨行星和核爆炸中才能实现的极端，内爆的速度达到每秒 400 公里，导致氘和氚聚变。

最终，在持续不到万亿分之一秒的瞬间，激光输入的能量为 2.05 兆焦耳，聚变产生的中子的能量是 3.15 兆焦耳，后者除以前者，能量增益大于 1。

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目前，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的激光大约每天只发射一次，成本又极高，短时间不可能建立起一个可行的发电厂。在新闻发布会上，劳伦斯·利弗莫尔主任 Kim Budil 表示，发布会代表的是一次聚变点火，但要实现商业核聚变发电，还需要做许多事，其中包括每分钟产生许多次核聚变点火。

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能源技术专家 Julio Friedmann 指出，现在取得的成果非常重要，如果不能实现输出的能量大于输入的能量，就无法成为能量的来源。但它在未来 20-30 年里都不会对气候减排做出有意义的贡献，这就是点火柴和造燃气轮机的区别。

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罗切斯特大学教授、激光聚变专家 Riccardo Betti，将核聚变的这次突破，比作人类第一次知道如何将石油提炼成汽油：你仍然没有引擎，你仍然没有轮胎，你不能说你有车。

人类迈出了一大步，但前面可能还有几千几万步。

为了下一代清洁能源，全世界摩拳擦掌在过去的几十年里，许多国家都在推进可控核聚变。惯性约束，是实现可控核聚变的两大主流方案之一，另一个是磁约束。

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煤、石油、天然气有枯竭的可能，并带来环境污染；风能、水能、太阳能等受限于天气或地理条件；核裂变所需要的铀、钚等元素储量有限，还会产生放射性。相比之下，可控核聚变技术，是被全人类寄予厚望的未来能源方式，有终极能源之称，因为它几乎能一劳永逸地解决能源问题。

带领这个团队的华裔科学家Tammy Ma也因此备受关注。

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国家点火设施的实验物理学家Tammy Ma博士在一次采访中谈到激励她的因素，她为什么热爱科学，她对回馈社会的信念，以及对年轻科学家的建议。

以下是采访全文：

动机和职业道德

不幸的是，我的母亲没有机会读完高中或上大学，因为她十几岁时移民到加拿大。所以我和弟弟一直被灌输教育非常重要的思想。这是我妈妈一直为她错过的东西而感到难过。我们的父母从不给我们压力，而是总是告诉我们要努力学习。我妈妈从来没有希望我们变得富有或出名，她只希望有一份自己热爱的事业，同时也希望能让你有一个稳定、舒适的生活方式。她为我们的成就感到骄傲。但我认为她更自豪的是，我们都对我们所做的工作非常非常有激情(我哥哥也是物理学家!)，我们为扩大我们的科学知识做出了贡献。对她来说，这是一件很酷的事情，她生下的孩子现在能够以这种科学的方式回馈社会。

科学是一种适合

科学绝对符合我的性格，因为它非常直截了当，不带感情色彩。我喜欢努力揭露事实以得到直接的真相。这就像在学校做数学一样——总会有正确答案。要达到这一点可能需要很多创造力。可能需要很多失误才能达到这一点。但最终你还是在寻找真相。一旦你弄清楚了这一点，这就有助于解释很多其他不同的部分。我喜欢这一切都在一起的方式，有很多意义。它给我周围混乱的世界带来了秩序。

在实验室的工作

我们都承认“点火”是我们正在研究的一个非常困难，具有挑战性的问题。我们所做的一切都是最前沿的。我们从来没有建造过这么大的目标和这么疯狂的规格，我们从来没有在这样的密度，这样的温度，这样的极端条件下做过物理实验。我们真的一直在挑战新的极限，所以如果出了什么问题，我们不会互相指责——这只是物理现象，这是自然现象，这就是我们试图解决的问题。你们唯一能做的就是一起工作——这是一个巨大的团队努力。

我在这个过程中的部分，大部分时间在干什么？

我是一名实验物理学家，所以我喜欢待在实验室里。我喜欢触摸东西，设置实验和诊断。我们每天都要拍摄，我们必须设置和准备。我现在的大部分工作都是在电脑上完成的。

我们将与设计师、实验人员和(实验)活动负责人开会，决定我们在NIF上要做什么，是采取下一步的点火或α加热(聚变反应开始变得自我维持)，还是另一个基于任务的项目。我们会一起想出一个实验的想法，设计师们会去尝试建立模型，看看它是否有意义，然后实验者们会想出一个方法，在NIF上建立它。

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我是一个实验主义者，所以我现在在开发和执行我们的实验方面的很多工作包括通过我们的NIF(信息技术)工具在线设置镜头，并将其输入NIF系统。一旦一切就绪，我们就开始拍摄，然后数据回来，我们花时间分析并试图理解和解释数据。一旦我们有了这些，我们就会作为一个大团队重新聚在一起，找出下一步可能会做什么。这是一个连续的循环，但很有趣。

有目的的科学

我喜欢在利弗莫尔工作的原因是，我们做的科学是有目的的。无论是国家安全，还是能源研究，还是气候变化，这些都是有角度的，而且是可以实现的。你们召集了非常优秀的人来做这个非常困难的项目。这些都是非常大的科学——不是一个科学家在他或她自己的小实验室里就能搞清楚的。你需要庞大的团队和大量的资源，你需要来自科学界的支持，在这里你可以得到这一切。希望我们所做的对社会和人类生活有积极的影响。

"工作-工作 "的平衡

我的一个好朋友没有说要寻求工作与生活的平衡，而是“工作与工作”的平衡。我认为这很有趣，但也很恰当。因为当你有一份热爱的工作，并且对它充满激情时，你可能会每天工作8个小时。但还有另一种工作，你不必在这里，但你仍然在这里，因为你在乎。你想要完成它并做好工作，你有动力去做，因为它让你兴奋。

我确实相信工作与生活的平衡，但这种平衡不会在你的职业生涯中一直保持。有时工作占据了很大一部分，有时生活有点沉重，需要更多的注意力。但对我来说，目前工作与工作的平衡可能是非常正确的。

回馈的传统

高中到大学期间，我在实验室做过暑期实习生。我有一个导师，他和我一起绘制出太阳系外的柯伊伯带——一种行星搜索。一天晚上，在进行夜间望远镜观测之前，我们去利弗莫尔市中心吃晚饭，吃完后，我试着付我那一半的钱。但他对我说:“不，不，不，让我来。能够请比我年轻的人吃饭对我来说是一种荣幸，我希望你们也能继续这样做。”这真的，真的触动了我，这是我现在试图做的事情，通过传递它。

因此，每年夏天我都会辅导一名暑期学生，不仅让他们获得研究经验，还让他们了解在国家实验室工作的情况，帮助他们了解自己是否喜欢科学，以及这是否是他们的生活。即使他们讨厌它，这对他们来说也是一件很重要的事情。我告诉他们，我希望你们能从这次经历中学到，指导年轻学生和早期的职业科学家是非常重要的，我希望你们在职业生涯中也能这样做。

完整的循环

我还做了很多社区外展活动，因为我觉得传播我们所做的科学非常重要，希望能鼓励年轻的孩子们。但我这样做的部分原因是我自私，我喜欢这样做。能够吹嘘我们在NIF上所做的事情是很有趣的，但它也很有成就感和回报，也许能够影响年轻人的思想——有点像在他们心中播下一颗种子，科学真的很酷。多年来，我参加了“拓展你的视野”(为年轻女孩举办的当地科学节)，并在社区里做了很多关于NIF的演讲。

当我还小的时候，我在加州的弗里蒙特长大，我父母会在周六带我去实验室听科学课我还记得有一次关于NIF的演讲。我当然不完全理解，但我觉得这很酷，现在我回到了原点。

给年轻科学家的建议

我告诉年轻的科学家——嘿，我还年轻——年轻的科学家或在校学生，科学很难。这很有挑战性。这是科学的基础。如果你喜欢它，就坚持下去。有时候你的成绩不是特别好，你在实验室里会失败，换一个不同的话题或专业似乎更容易。科学会不断地挑战你。如果没有，那就不是科学。坚持下去。