“人造太陽”，永續(xù)能源不是夢

翔雨

美國加利福尼亞州的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室日前宣布，其核聚變能源研究取得了重大進展，聚變產(chǎn)生的能量第一次超過了激發(fā)聚變所需的能量。這意味著核聚變將有可能為人類未來帶來幾乎取之不盡、用之不竭的能源。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的物理學家奧馬爾·哈利肯等研究人員是核聚變實驗的主要負責人。哈利肯說：“從聚變?nèi)剂现械玫降哪芰砍^了激發(fā)聚變所需的能量，這是非比尋常的進展。”

核聚變能源與化石燃料或者核電廠的原子能裂變不同，它能夠提供充足的能源，且不會產(chǎn)生污染、放射性廢棄物或者溫室氣體——盡管科學家也承認，核聚變?nèi)剂先孕枰S多年時間才能轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H生活中可以使用的能源。

事實上，為了開發(fā)聚變能源以減少人類對石油和其他化石燃料的依賴，美國與其他國家已經(jīng)投資了數(shù)百億美元。例如英國卡勒姆聚變能源中心和美國普林斯頓等離子體物理實驗室就一直致力于研究磁約束聚變能源——將等離子體放置在磁性容器中加熱，直到原子核融合。

人造太陽再現(xiàn)突破

在許多科幻小說中，經(jīng)常提到了未來人類通過便攜式核聚變堆獲得能量的一幕。事實上，核聚變向來被認為是未來人類使用的先進能源之一，也是宇宙中非常常見的能量釋放形式，太陽就是通過核聚變產(chǎn)生源源不斷的能量。如果人們能實現(xiàn)對核聚變過程的精密控制，就可能為全世界提供廉價的能源。

位于加利福尼亞州利弗莫爾的國家點火裝置（NIF）是目前正在研制可控核聚變技術(shù)的數(shù)個世界實驗室之一。國家點火裝置擁有192具世界上最強大的激光器，它們能形成相等數(shù)量的激光，并在極短的時間內(nèi)同時激發(fā)并命中中央的“燃料球”，后者被瞬間加熱到數(shù)百萬度，這一過程被稱為“點火”，形成核聚變反應(yīng)后就可以產(chǎn)生能量。在以往的實驗中，“點火”反應(yīng)后形成的能量還不及激光器輸入的能量，但這一次科學家首次實現(xiàn)了釋放能量大于消耗能源，其意義是不言而喻的。

聚變能源的生成有兩類方式。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科研團隊主要關(guān)注的是慣性約束聚變能源，也就是使用激光來壓縮燃料芯塊，借以觸發(fā)聚變效應(yīng)。在本次實驗中，研究人員將激光脈沖的功率比前次提高了一倍，激光束聚焦在一個直徑不到約2毫米的靶丸上，該靶丸內(nèi)含有包括同位素重氫和超重氫的聚變?nèi)剂稀Ｈ剂媳煌磕ㄔ诎型鑳?nèi)側(cè)，其固化層的厚度還不及人類的頭發(fā)。在極高溫度下，重氫和超重氫的原子核融合，釋放出中子和“阿爾法粒子”，進而獲得能量。

“點火”條件苛刻

事實上，在去年年底進行的一系列實驗中，NIF研究人員獲得的能量輸出已經(jīng)是之前記錄的10倍，并且演示了自動加熱現(xiàn)象。要實現(xiàn)所產(chǎn)出的能量多于消耗的能量， “點火”這一步至關(guān)重要。

為了達到核聚變所必需的極端條件，國際熱核聚變實驗堆（ITER）等設(shè)備一般使用高能磁場束縛燃料，并利用粒子束進行加熱。NIF則采用不同的方法：利用激光脈沖爆炸微小燃料樣本，從而產(chǎn)生小型核聚變激增。如果一切正常，爆炸將產(chǎn)生比激光脈沖更高的能量，實現(xiàn)凈能量增益。為此NIF打造的激光裝置足足約有一個露天足球場的大小， 192支紫外線光束在持續(xù)1納秒的一個脈沖中能夠傳遞1.9兆焦能量，大約相當于一輛2噸卡車每小時行駛160公里的動能。

紫外線光束能夠轉(zhuǎn)變成X射線，然后襲擊燃料膠囊——一個比花椒略小的中空塑料球，里面容納了0.17毫克凍結(jié)的氘和氚。強烈的X射線脈沖擊中燃料膠囊后能引起一些塑料發(fā)生爆炸，這也迫使剩余的塑料和凍結(jié)的燃料向中心高速聚攏。如果一切按計劃進行，足夠的熱量和密度將會引發(fā)核聚變反應(yīng)。模擬結(jié)果也顯示NIF確實能實現(xiàn)一些核聚變。但此前的實驗講述了一個不同的結(jié)果：能量輸出非常低。

2012年，國會進行了相關(guān)調(diào)查工作，最終指責NIF研究人員未能解釋模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)之間的分歧。2013年，NIF科學家開始更系統(tǒng)地探索問題的所在，并且實驗室更換了新領(lǐng)導(dǎo)人，也有新科學家加盟該隊伍。

最終，他們認為存在的主要問題有兩個。燃料芯塊壓縮時常出現(xiàn)不對稱情況，并產(chǎn)生一個環(huán)形的燃料團。而在內(nèi)爆時，塑料膠囊會發(fā)生爆炸，并與燃料混合在一起，使其最終難以引發(fā)核聚變。

飛躍的實現(xiàn)

為了解決具體問題，新研究隊伍對所有激光束的輸出進行了調(diào)整，在不同地方實施不同的照射力度，以期獲得更均勻的內(nèi)爆。為了避免塑料膠囊解體，研究人員還調(diào)整了激光脈沖時間。

一般而言，20納秒內(nèi)，科學家一開始主要使用低功率激光進行轟擊，以便在未加熱燃料的情況下促使內(nèi)爆移動，最后激光以突然的高功率引發(fā)核聚變。使用“低起步”背后的理論是，冷燃料最終可能被壓縮到更高的密度。但缺點在于較低的速度使得膠囊有時間爆炸。

美國海軍研究實驗室等離子物理學部激光等離子分部主任StephenObenschain表示，在低功率激光的沖擊下，“有太多有害的事情可能出現(xiàn)，你無法看到發(fā)生了什么?！?/p>

NIF新研究小組決定嘗試使用初始能量就稍高的激光脈沖進行轟擊，以便燃料更快地出現(xiàn)內(nèi)爆，并且在15納秒之后就更快地結(jié)束脈沖。研究人員希望這種方法能有助于控制燃料的混合。去年8月13日進行的一次激光轟擊實驗證明他們的想法是正確的，并且實現(xiàn)了能源輸出量的飛躍。此后的兩次實驗得出的結(jié)果越來越好，產(chǎn)生的能量（14.4千焦和17.3千焦）比內(nèi)爆過程中沉積在核聚變?nèi)剂侠锏哪芰浚?1千焦和9千焦）更多。

這是有史以來第一次在激光核聚變實驗里實現(xiàn)這樣的能量輸出。奧馬爾·哈利肯在新聞發(fā)布會上表示：“相比之前的實驗，我們向后退了一小步，而這一小步成為我們向前邁出了一大步的鋪墊?！?/p>

兩種方法

事實上，除了NIF研究的慣性約束核聚變以外，最先被科學家發(fā)現(xiàn)是磁約束。為實現(xiàn)磁約束，需要一個能產(chǎn)生足夠強的環(huán)形磁場的裝置。上世紀50年代，這種裝置被稱作“托克馬克”裝置。

倡議于1985年的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，是目前全球最大的磁約束核聚變實驗項目，由美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國、印度和中國共同參與。ITER裝置是一個能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的“超導(dǎo)托克馬克”。作為聚變能實驗堆，ITER計劃把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的磁場中間，產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時間達500秒。不過，目前為止，該項目還一直在追加預(yù)算，在工程技術(shù)上也依然存在問題，進展遲緩。事實上，科學家指出，ITER還只是一個實驗計劃，即使ITER獲得成功，還要建造新的聚變反應(yīng)堆才可能進入能源實用化階段。

而磁約束之所以比慣性約束更被看好，還有一個原因是，不少國家的專業(yè)人員一度懷疑NIF是由涉及國家安全和武器研發(fā)的政府和聯(lián)合企業(yè)所資助的，其設(shè)計初衷是用于測試核武器的可靠性，是美國“無爆炸核試驗”的一部分，他們研究核聚變是為了武器開發(fā)，而不是用于民用電廠。此外，NIF也能被用來模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內(nèi)核的環(huán)境而進行科學試驗。但美國核武器獨立專家理查德·加溫曾在接受媒體采訪時表示，NIF裝置中的溫度遠遠低于真正的核武器所產(chǎn)生的溫度，他并不支持慣性約束的研發(fā)與核武器測試直接相關(guān)。

Tips

可控核聚變

核聚變，即輕原子核（例如氘和氚）結(jié)合成較重原子核（例如氦）時放出巨大能量的一種核心反應(yīng)形式。核聚變較之核裂變有重大優(yōu)點。地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富得多。利用激光核聚變原理建造的發(fā)電站稱為可控聚變能電站，這種電站的主要燃料是氘。氘大量存在于海水的重水之中，特別是海洋表層3米左右的海水里。據(jù)測算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上僅在海水中就有45萬億噸氘。1升海水中所含的氘，經(jīng)過核聚變可提供相當于300升汽油燃燒后釋放出的能量。我們?nèi)粘Ｊ褂玫乃幸埠写罅康臍洹Ａ硗?，從地殼中開采的氫也可以為聚變反應(yīng)堆提供大量的燃料。據(jù)推算，利用氫聚變可以輕而易舉地為人類提供5000萬年之久的能源，可以說是真正意義上的取之不盡，用之不竭的能源。endprint