“復(fù)制”太陽之路

隨著全球最大的激光核聚變裝置在美國正式落成，人工“復(fù)制”太陽的夢想也即將迎來科學(xué)上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)

《財(cái)經(jīng)》記者 王以超 于達(dá)維

在地球上“復(fù)制”太陽，并非天方夜譚。

5月29日，全世界最大的激光核聚變裝置——國家點(diǎn)火裝置(NIF)，在美國舊金山郊區(qū)的勞倫斯·利弗摩爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)正式落成，人類朝向這個(gè)目標(biāo)，又接近了一步。

該項(xiàng)目副主管愛德華·莫塞斯(Edward I. Moses)告訴《財(cái)經(jīng)》記者，希望該裝置于2010年正式運(yùn)行后，可以很快實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”，即實(shí)現(xiàn)核聚變產(chǎn)生的能量大于激光輸入的能量。

這一目標(biāo)如果得以順利實(shí)現(xiàn)，無論是在地球上“復(fù)制”太陽，還是提供能源“終極解決方案”，都將不再遙遠(yuǎn)。

聚變之夢

人類的文明史，歸根到底是一部能源利用史。工業(yè)革命至今200多年的時(shí)間內(nèi)，人類對于能源的利用更是達(dá)到了登峰造極的程度:從傳統(tǒng)的石油、天然氣等化石能源，到太陽能、風(fēng)能等可再生能源，一直到利用裂變發(fā)電的核能。

但迄今為止，人們?nèi)詿o法找到能源“終極”解決方案。最可能的解決方案，或許來自太陽——既然地球僅僅接納了太陽很少一部分能量的恩澤，就足以孕育眾生，那么，假如我們能在地球上人工“復(fù)制”一個(gè)太陽，一切不都迎刃而解了嗎?

這個(gè)看似有些瘋狂的想法，在科學(xué)上卻并不那么荒謬。在20世紀(jì)早期，科學(xué)家們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，像太陽這樣的恒星，之所以能夠輻射出如此巨大的光和熱，是因?yàn)槠鋬?nèi)部無時(shí)無刻不在進(jìn)行著劇烈的核聚變反應(yīng)。在這個(gè)過程中，氘、氚等較輕的原子，會(huì)聚合成碳甚至鐵等較重的原子，并且釋放出巨大的能量;而每升海水中提取的氘，在聚變反應(yīng)中釋放出的能量，大概相當(dāng)于300升汽油。

可是，在地球上“復(fù)制”太陽，實(shí)現(xiàn)起來卻十分漫長。因?yàn)橐皢?dòng)”核聚變過程，就必須制造出與太陽內(nèi)部類似的極端環(huán)境。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所(下稱上海光機(jī)所)高功率激光物理國家實(shí)驗(yàn)室總工程師、中國科學(xué)院院士林尊琪告訴《財(cái)經(jīng)》記者，在溫度達(dá)到5000萬攝氏度到1億攝氏度之間的同時(shí)，還要保持很高的密度，這些都很難達(dá)到。

之前，人類只有通過原子彈爆炸，才達(dá)到這樣的極端條件，這也是氫彈的原理。遺憾的是，這樣一個(gè)過程是不可控的。

鑒于地球上現(xiàn)存的任何材料都難以抵御這種極度高溫，科學(xué)家設(shè)想出兩種巧妙的途徑，來逼近這一目標(biāo)。

一種被稱為磁約束。上世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出了“托卡馬克”的概念，就是利用環(huán)形封閉磁場組成的“磁籠”，把燃料加熱到極高的溫度并約束起來，使其不會(huì)碰到任何容器壁。目前，中國正在安徽合肥運(yùn)行的EAST裝置，以及即將于2016年投入運(yùn)行的國際熱核聚變裝置(ITER)，都是利用的這一原理。

另一種則是像NIF這樣的慣性約束核聚變。其原理是利用超強(qiáng)的激光或者其他粒子束，直接照射在用氘氚等做成的燃料靶丸上，靶丸的外層會(huì)在瞬間融化并且向外噴濺。由此產(chǎn)生的反作用，就會(huì)急劇地向內(nèi)壓縮靶丸的剩余部分，使其中心達(dá)到聚變所需的極端條件，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”。

NIF奇跡

在1994年正式獲準(zhǔn)上馬之后，科學(xué)界就對NIF望穿秋水，因?yàn)樗芸赡艹蔀榈谝粋€(gè)實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”的可控核聚變裝置。

根據(jù)設(shè)計(jì)，NIF裝置的192束強(qiáng)激光，產(chǎn)生的總能量將高達(dá)1.8兆焦耳(1兆相當(dāng)于1000000)。這一能量，比任何現(xiàn)役的激光聚變裝置都要高出幾十倍。

這192束激光，會(huì)從兩個(gè)相對的方向進(jìn)入直徑約10米的靶室中。不過，這些激光并不直接照在由氘、氚等核聚變?nèi)剂辖M成的靶丸上，它們是先照在金子做的圓筒狀空腔的內(nèi)部。只有硬幣大小的空腔，在強(qiáng)激光的照射下會(huì)產(chǎn)生大量高能X射線;X射線會(huì)像流體一樣向中心流動(dòng)，從而使得靶丸沐浴在強(qiáng)“X射線雨”中。

林尊琪對《財(cái)經(jīng)》記者解釋說，此時(shí)靶的中心燃料密度會(huì)被壓縮到原來的1萬倍左右。在沖擊波的作用下，這一點(diǎn)就會(huì)發(fā)生核聚變反應(yīng);然后，外面的大部分核材料也會(huì)發(fā)生連鎖聚變反應(yīng)，從而釋放大于激光輸入的能量。

之所以選擇這種方式來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，是因?yàn)榭涨粌?nèi)部產(chǎn)生的X射線會(huì)更加均勻。如果各個(gè)方向壓縮靶丸的能量在大小、時(shí)間上不一致的話，就無法達(dá)到理想的向心壓縮效果進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。

雖然NIF的總投資，已從最初的10億美元升至目前的35億美元，但能順利建成，仍然被很多人視為一種奇跡。不少業(yè)內(nèi)人士對《財(cái)經(jīng)》記者坦言，其中很多裝置，都已經(jīng)達(dá)到了物理以及材料極限。

在NIF中，僅高精度大口徑光學(xué)元件就有7000多件，還有之前從未生產(chǎn)出的高質(zhì)量KDP晶體、特殊的等離子體開關(guān)，以及6萬多個(gè)控制元件等。很多激光器器件，都已經(jīng)接近了強(qiáng)光運(yùn)行的極限;再強(qiáng)一些，很可能玻璃就要被打破了。

按照計(jì)劃，NIF將從2010年開始正式運(yùn)行。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系教授鄭堅(jiān)在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)表示，根據(jù)現(xiàn)有的理論模型預(yù)測，這樣強(qiáng)的激光能量，應(yīng)該有很大的把握實(shí)現(xiàn)成功“點(diǎn)火”。

不過，他也提醒說，任何設(shè)計(jì)都不可能沒有風(fēng)險(xiǎn)?？茖W(xué)家曾經(jīng)一度非常樂觀，認(rèn)為激光能量達(dá)到千焦耳量級，就可以成功“點(diǎn)火”;到了今天，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”的邊界已經(jīng)被抬高到了百萬焦耳的水平。

群雄并起

當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”，只是NIF任務(wù)之一，它還有其他的使命。

1992年，時(shí)任美國總統(tǒng)的布什正式簽署法案，宣布禁止核試驗(yàn)。之后，如何確保其龐大核武庫的安全以及有效性，并不斷加以改進(jìn)，成了一個(gè)非常棘手的問題。

因此NIF可以產(chǎn)生類似氫彈爆炸的極端環(huán)境，這顯然為檢驗(yàn)核武器提供了難得的平臺。此外，如果可控?zé)岷司圩兊靡詫?shí)現(xiàn)，將來的氫彈不必再需要原子彈引爆，研制沒有放射性污染的、更為清潔的核武器也就成為可能。這一裝置同樣可以模擬類似恒星內(nèi)部的環(huán)境，科學(xué)家們也可以利用NIF，開展相應(yīng)的基礎(chǔ)科學(xué)研究。

更為重要的是，由于激光核聚變的研究，涉及強(qiáng)激光的研發(fā)以及新材料、技術(shù)的應(yīng)用等眾多領(lǐng)域。因此，除了美國，不少其他大國也紛紛加入戰(zhàn)團(tuán)。

與NIF性能最為接近的，是法國正在建造的兆焦耳激光裝置LMJ。預(yù)計(jì)于2010年完工的該裝置，共有240束強(qiáng)激光，總輸入能量同樣可達(dá)1.8兆焦耳。

此外，日本的大阪大學(xué)早在1983年，就建成了12束激光的GEKKO XII裝置。在今年3月完成LFEX升級之后，該裝置短脈沖激光的瞬間功率創(chuàng)造了新的世界記錄，已經(jīng)在探索“快點(diǎn)火”(fast ignition)機(jī)制方面走在了前沿。

所謂快點(diǎn)火，就是用一束強(qiáng)激光先轟擊靶丸，等其表面開始噴射時(shí)，再利用另外一束功率巨大的超短脈沖來“點(diǎn)火”;其原理，有些類似于普通的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

據(jù)悉，歐盟打算于2010年開建的HiPER激光聚變裝置，也將利用這一原理來實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”;預(yù)計(jì)其總投資，可能要比NIF整整低一個(gè)量級。

早在1976年，在上海光機(jī)所，中國首個(gè)激光核聚變裝置——六路激光就正式建成并投入使用。進(jìn)入上世紀(jì)80年代后，該所又成功地建成了“神光1號”裝置。雖然1986年投入運(yùn)行的“神光1號”只有兩路激光，總能量卻提高了一個(gè)量級。在位于四川綿陽的中國工程物理研究院，“星光”激光聚變裝置也投入使用。

2001年，擁有八束激光的“神光2號”建成投入使用，這個(gè)激光總能量約為3千焦耳的裝置，正式接替了1994年退役的“神光1號”。此后，“神光2號”又增加了能量約為3千焦耳的第九路短脈沖激光，以探索“快點(diǎn)火”機(jī)制。

不過，更令人關(guān)注的，仍然是正在建設(shè)之中的“神光3號”?！吧窆?號”設(shè)計(jì)為60束強(qiáng)激光，總輸出能量達(dá)60千焦耳;雖然還無法與美國的NIF、法國的LMJ相比，但這仍然是個(gè)不小的飛躍。據(jù)《財(cái)經(jīng)》記者了解，整個(gè)裝置有望于2012年最終建成并投入使用。

漫長的終點(diǎn)

“神光3號”顯然也不是終點(diǎn)。中國科學(xué)院院士、國家“863計(jì)劃”慣性約束聚變首席科學(xué)家賀賢土就曾透露，中國也將啟動(dòng)自己的NIF裝置，即“神光4號”。

據(jù)悉，中國政府在《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》中確定的16項(xiàng)重大專項(xiàng)中，就有慣性約束聚變點(diǎn)火工程。如果一切順利，中國亦有望在2020年前后，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火這一科學(xué)目標(biāo)。

業(yè)內(nèi)人士告訴《財(cái)經(jīng)》記者，在NIF上，科學(xué)家有望獲得5倍到10倍的增益。即聚變產(chǎn)生的能量，將5倍到10倍于輸入的激光能量。然而，即使實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，距離最終的核聚變發(fā)電仍然十分遙遠(yuǎn)。

要產(chǎn)生如此強(qiáng)大的激光，往往電力消耗十分驚人;通常，從電力轉(zhuǎn)換成激光能，效率往往不足10%。而核聚變產(chǎn)生的能量，大部分都是以高能中子的形式存在的;包圍材料要先將中子能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，再用來發(fā)電，其中又難免能量損失。因此，在中國科學(xué)院院士林尊琪看來，這種增益要達(dá)到幾百倍，才可能用來規(guī)?；l(fā)電。

此外，要以百萬千瓦的規(guī)模連續(xù)地輸出電能，就需要在1秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)打靶10次以上。而目前，銣玻璃激光器兩發(fā)之間的時(shí)間間隔，往往要以小時(shí)計(jì)，這顯然難以滿足未來產(chǎn)業(yè)化的要求。

很顯然，即使NIF上的科學(xué)驗(yàn)證取得成功，要真正把聚變能變成一種可以依賴的“終極能源解決方案”，也要有一段漫長的路程要走，包括新的半導(dǎo)體技術(shù)、材料技術(shù)的突破等。

不過，也有專家提醒說，對于核聚變商業(yè)化的前景，亦不必過分悲觀。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系教授鄭堅(jiān)對《財(cái)經(jīng)》記者表示，除了激光，目前科學(xué)家還在對多種驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行研究。比如德國GSI裝置，就是采用重離子束來探索聚變可能性的;與強(qiáng)激光相比，雖然其成熟度略低一些，但驅(qū)動(dòng)效率更高。

更重要的是，一旦慣性約束核聚變在科學(xué)上獲得驗(yàn)證，鑒于其巨大的商業(yè)前景，企業(yè)和私營部門也會(huì)加入投資者“陣營”。這很可能會(huì)帶來新技術(shù)應(yīng)用的雪崩，并使得潛在的成本門檻被迅速拉低。

以美國為例，在NIF之后，就制定了雄心勃勃的LIFE(激光慣性約束聚變能)計(jì)劃，希望把聚變能真正從實(shí)驗(yàn)室推向能源第一線。根據(jù)勞倫斯·利弗摩爾國家實(shí)驗(yàn)室的預(yù)測，到2030年前后，第一座商業(yè)化的聚變電站就可能成為現(xiàn)實(shí)。

無論是未來純聚變的電站，還是能夠更好地利用核燃料的聚變-裂變混合電站，都將引發(fā)一場能源革命。因?yàn)榕c傳統(tǒng)核電站相比，聚變電站不僅在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生放射性污染，并擁有幾乎無限的原料供應(yīng)，同時(shí)其單位發(fā)電量產(chǎn)生的廢棄物，也只有前者的二十分之一左右。

最樂觀的估計(jì)，到2100年前后，美國可能會(huì)有三分之二的電力供應(yīng)都來自LIFE。當(dāng)然，這中間還存在巨大的不確定性。但無論如何，對于中國而言，能否同步跟上這場潛在的革命，都是一個(gè)不能回避的挑戰(zhàn)。畢竟，雖然起步并不比美國晚多少，但中國需要補(bǔ)的“功課”還很多。■