世界首次激光核聚變點(diǎn)火成功，“人造太陽(yáng)”指日可待？

楊智杰

美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施內(nèi)部，這是一個(gè)基于激光的慣性約束聚變研究設(shè)施。圖/LLNL

當(dāng)192束超高能量的激光束同時(shí)轟擊一顆胡椒粒大小、裝有氘和氚元素的圓柱體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月5日，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）開(kāi)展了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，“奇跡”發(fā)生了。激光束為圓柱體提供2.05 兆焦耳的能量后，輸出了3.15兆焦耳的核聚變能量。12月13日上午，美國(guó)能源部與美國(guó)國(guó)家核安全管理局專(zhuān)門(mén)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布這一重大突破。美國(guó)能源部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆稱(chēng)，“這是一個(gè)具有里程碑意義的成就”，未來(lái)將激發(fā)更多發(fā)現(xiàn)，為美國(guó)國(guó)防和清潔能源的發(fā)展鋪平道路。

一直以來(lái)，可控核聚變被認(rèn)為是“人類(lèi)的終極能源”，但歷經(jīng)70多年的研究后，仍處于實(shí)驗(yàn)階段。中山大學(xué)中法核工程與技術(shù)學(xué)院副教授王志斌向《中國(guó)新聞周刊》解釋說(shuō)，LLNL這次的實(shí)驗(yàn)從科學(xué)層面證明了，慣性約束聚變可以實(shí)現(xiàn)凈能量增益。

“這一結(jié)果是科學(xué)的成功——但距離提供有用、豐富的清潔能源，還有很長(zhǎng)的路要走?！眲虼髮W(xué)核能講師托尼·魯爾斯通在一家公益機(jī)構(gòu)媒體英國(guó)科學(xué)媒體中心上發(fā)表評(píng)論稱(chēng)。

早在2009年，美國(guó)國(guó)家核安全管理局在加州的LLNL建成國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF），在高10層、約有3個(gè)足球場(chǎng)大的建筑物中開(kāi)展前述實(shí)驗(yàn)。NIF原定目標(biāo)是在2012年實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”，但未能如期達(dá)成。NIF在此后多年備受爭(zhēng)議，業(yè)內(nèi)一度悲觀認(rèn)為，它可能永遠(yuǎn)無(wú)法“點(diǎn)火”。

1950年代，英國(guó)物理學(xué)家約翰·勞森正式提出著名的“勞森點(diǎn)火準(zhǔn)則”，即當(dāng)核聚變反應(yīng)產(chǎn)出能量大于損耗能量，并有足夠能量維持核聚變反應(yīng)時(shí)，意味著成功“點(diǎn)火”。這是可控核聚變走入現(xiàn)實(shí)的必要指標(biāo)之一?！爸挥羞@種情況下，核聚變裝置才有望提供能源，而不只是一個(gè)耗電器?！蓖踔颈蠼忉屨f(shuō)。

核聚變是核能的一種形式，指兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)重原子核并產(chǎn)生能量的過(guò)程。太陽(yáng)之所以發(fā)光發(fā)熱，便是依靠?jī)?nèi)部不斷產(chǎn)生的核聚變提供動(dòng)力。

核聚變?nèi)剂县S富且容易獲得，氘可以從海水中提取，氚可以利用豐富的天然鋰生產(chǎn)。核聚變也不會(huì)產(chǎn)生高放射性的核廢物，清潔安全。中國(guó)科學(xué)院院士、中科院物理所研究員張杰形容，“1立方千米海水所含的氘，經(jīng)過(guò)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于地球上所有石油儲(chǔ)備產(chǎn)生的總能量”，如果能開(kāi)發(fā)，將“一勞永逸”解決人類(lèi)的能源需要。

1952年，太平洋一個(gè)無(wú)人島上，美國(guó)引爆世界上第一顆氫彈，讓世人第一次見(jiàn)識(shí)到核聚變的威力?！暗@些能量是被瞬間釋放出來(lái)的，如果想要成為民用的能源，能量需要緩慢有序地、受控制地釋放出來(lái)?！蓖踔颈蠼榻B，這才有了可控核聚變的研究。

想要兩個(gè)原子核克服電排斥力結(jié)合，需要極為苛刻的條件。以太陽(yáng)為例，其中心有高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度的超高溫，以及約有3000億個(gè)大氣壓的超高氣壓?？煽睾司圩儽环Q(chēng)為“人造太陽(yáng)”，需要模擬太陽(yáng)中心的環(huán)境。實(shí)現(xiàn)可控核聚變有兩條主流技術(shù)路徑：磁約束核聚變和慣性約束核聚變。

地球上無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)上的超高壓，如果把核燃料加熱到1億攝氏度以上，原子核便會(huì)有足夠動(dòng)力相互碰撞，發(fā)生聚變反應(yīng)。但一旦到了這一溫度，所有固態(tài)材料會(huì)直接汽化。上世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家研制出一個(gè)形似甜甜圈的“煉丹爐”，被稱(chēng)為托卡馬克裝置。它在環(huán)形圈內(nèi)構(gòu)建磁場(chǎng)約束核燃料，使其不與容器壁接觸，可以持續(xù)燃燒一段時(shí)間，產(chǎn)生能量。此后，世界范圍內(nèi)曾掀起托卡馬克建設(shè)熱潮，美國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)都斥巨資打造了這類(lèi)大型裝置。

慣性約束核聚變，是通過(guò)激光產(chǎn)生巨大壓強(qiáng)，使核燃料體積在瞬間變小，密度變大，原子核發(fā)生聚變反應(yīng)。世界上最知名的裝置，便是今天的主角：NIF。

目前，各國(guó)可控核聚變裝置仍在實(shí)驗(yàn)階段。未來(lái)想要應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，無(wú)論哪種技術(shù)路徑，都要考慮“投入產(chǎn)出比”。業(yè)內(nèi)一般用Q值來(lái)衡量，即能量增益因子，它是指產(chǎn)生的能量與維持反應(yīng)器中等離子穩(wěn)態(tài)的輸入裝置的能量之比。聚變反應(yīng)發(fā)生在被稱(chēng)為等離子體的物質(zhì)狀態(tài)下，當(dāng)Q大于1時(shí)，意味著可控核聚變產(chǎn)生的能量大于消耗的能量。

1997年，歐洲托卡馬克JET輸入24兆瓦功率加熱反應(yīng)器中的等離子體，產(chǎn)生了16兆瓦的聚變功率，Q值為0.67。同年，日本JT-60的托卡馬克進(jìn)行氘-氘實(shí)驗(yàn)后推算，如果將燃料替換成1：1的氘和氚混合物，Q值便可達(dá)到1.25。但受限于設(shè)備和材料，這僅是理論上的結(jié)果。NIF之前，不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，JET保持著世界最好的紀(jì)錄。

NIF的突破是循序漸進(jìn)的。早在2013年，LNLL曾稱(chēng)NIF有了巨大進(jìn)展，被媒體誤讀為“產(chǎn)生了凈能量”。美國(guó)《大西洋月刊》形容，當(dāng)時(shí)的LNLL是“擺弄分母，將99％的失敗變成了100％的勝利”。

2021年8月，NIF在一次核聚變反應(yīng)中產(chǎn)出1.35兆焦耳的能量，約占實(shí)驗(yàn)中激光輸入能量的70％，雖未達(dá)到收支平衡，但“向前邁出了歷史性的一步”，被認(rèn)為是站在“點(diǎn)火”的門(mén)檻上。2022年9月，研究者又重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。兩個(gè)月后，NIF實(shí)現(xiàn)了“點(diǎn)火”。

相關(guān)研究者認(rèn)為，這一結(jié)果能證明，可控核聚變?cè)谖磥?lái)有可能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力負(fù)荷，也有可能用于制氫或者供暖等。

曼徹斯特大學(xué)核聚變研究人員阿尼卡·汗告訴媒體，這是“有前途和令人興奮的結(jié)果”，但其并沒(méi)有考慮聚變反應(yīng)的激光所需的能量，或者過(guò)程中的低效與損耗，這些都必須在未來(lái)商用時(shí)考慮到。因此，“我們離商業(yè)核聚變還有一段路要走”，更無(wú)法幫助人類(lèi)應(yīng)對(duì)眼下的能源危機(jī)。

王志斌向《中國(guó)新聞周刊》解釋說(shuō)，NIF判斷的Q值，是原子核吸收和放出的能量之比。但這一過(guò)程中，激光器有大量能量損耗，“你可以想象為，從電網(wǎng)取了100瓦的電輸入到裝置，但真正用到原子核反應(yīng)堆的電只有25瓦，輸出了30瓦的電。現(xiàn)在的Q是30：25，而不是30：100。”在他看來(lái)，未來(lái)想要真正實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠，核聚變的能量必須高于輸入激光器的能量。

據(jù)報(bào)道，NIF每次發(fā)射激光，需要消耗422兆焦耳來(lái)為電容器充電，如果將輸出的能量3.15兆焦耳與之相比，實(shí)際的投入產(chǎn)出比甚至還不到1％。

張杰曾告訴媒體，無(wú)論是磁約束核聚變還是慣性約束核聚變，未來(lái)的共同目標(biāo)是“要達(dá)到輸出能量為輸入能量的10倍、100倍，如果達(dá)到100倍，我們離核聚變電站就很近了?！?/p>

王志斌提到，從獲得大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)的能源角度看，相比慣性約束核聚變，磁約束核聚變離應(yīng)用到人類(lèi)的生活中更近，“這是從現(xiàn)有技術(shù)看，假如慣性約束核聚變有其他的重要突破，那就另當(dāng)別論?！?/p>

“兩種技術(shù)路徑的目的是不同的?！蓖踔颈蠼榻B，以托卡馬克裝置為主的磁約束核聚變，更像是“燒煤球”，建設(shè)目標(biāo)是聚變反應(yīng)堆，輸出能源，可用于發(fā)電等。慣性約束核聚變更像是“劃火柴”，過(guò)程接近核爆炸，可以通過(guò)這些裝置的研究來(lái)獲取關(guān)鍵參數(shù)。

《科學(xué)》雜志12月13日直言，NIF 從未計(jì)劃用于商業(yè)發(fā)電，主要功能是制造微型核爆炸，并提供數(shù)據(jù)，以確保美國(guó)核武器庫(kù)的安全可靠。12月13日，美國(guó)能源部部長(zhǎng)也提到，NIF的工作幫助解決人類(lèi)最復(fù)雜和緊迫的問(wèn)題，其中包括“在不進(jìn)行核試驗(yàn)的情況下維持核威懾力”。

武漢大學(xué)水利水電學(xué)院副教授徐明毅在今年8月發(fā)表的一篇論文中提到，出于國(guó)防和戰(zhàn)略安全考慮，美國(guó)、中國(guó)、歐盟、英、日等國(guó)家和地區(qū)都在開(kāi)展相關(guān)研究，這其中包括美國(guó)的NIF、中國(guó)在運(yùn)行的最大激光聚變驅(qū)動(dòng)器神光III等。

有研究者認(rèn)為，慣性約束核聚變并非不適合提供清潔能源，甚至也可以發(fā)揮重要作用?！皟蓷l路線都應(yīng)繼續(xù)研究，因?yàn)樗鼈儽舜碎g能交互很多信息。”英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)學(xué)者詹盧卡·薩里在接受《新科學(xué)人》采訪時(shí)提到。

除了Q值，可控核聚變未來(lái)想要商用，還要盡可能延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間?！爸挥蟹€(wěn)定地燃燒，未來(lái)才有可能建成發(fā)電站?！蓖踔颈笳f(shuō)。

但目前運(yùn)行的托卡馬克裝置，聚變反應(yīng)時(shí)間僅能以秒為單位計(jì)算。2022年2月，世界上運(yùn)行中的最大托卡馬克裝置JET，在實(shí)驗(yàn)中做到連續(xù)5秒總共產(chǎn)生49兆焦耳的核聚變能量，刷新自己在1997年創(chuàng)下的紀(jì)錄。去年年底，中國(guó)自主設(shè)計(jì)的東方超環(huán)EAST，實(shí)現(xiàn)等離子運(yùn)行達(dá)1056秒，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間。

王志斌強(qiáng)調(diào)，目前可控核聚變實(shí)現(xiàn)Q大于1，只是驗(yàn)證了科學(xué)上的可行性。未來(lái)需要先建聚變示范電站，驗(yàn)證工程上可行。但這類(lèi)電站投入建造成本高，發(fā)電價(jià)格遠(yuǎn)高于煤電或光伏發(fā)電，難以商用。最終，可控核聚變的發(fā)電成本至少要降到與現(xiàn)有能源價(jià)格相近，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)?！翱煽睾司圩兊拇_有可能是人類(lèi)的未來(lái)能源，但從行業(yè)層面想要實(shí)現(xiàn)，挑戰(zhàn)很大，但也可能100年后用的都是這樣的能源?！?/p>

在中國(guó)，科學(xué)家們自1950年代開(kāi)啟聚變研究，1980年代，中國(guó)第一個(gè)托卡馬克裝置建成。進(jìn)入21世紀(jì)，由安徽合肥中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所設(shè)計(jì)的EAST，成為世界首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。此外，中國(guó)環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）、中國(guó)環(huán)流器二號(hào)M裝置等托卡馬克裝置，由中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院建設(shè)，在成都投入實(shí)驗(yàn)。

王志斌告訴《中國(guó)新聞周刊》，中國(guó)的可控核聚變發(fā)展，過(guò)去是跟跑，如今已和歐美并跑。一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是，2007年，中國(guó)加入國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。中國(guó)與歐盟、印度、日本、美國(guó)等，計(jì)劃在法國(guó)共同建設(shè)一個(gè)世界上最大的超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。其中，中國(guó)承擔(dān)項(xiàng)目工程建設(shè)階段18個(gè)采購(gòu)包，即設(shè)備零件的制造。項(xiàng)目在2010年開(kāi)建，計(jì)劃2025年建成。

中國(guó)國(guó)際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心主任羅德隆曾提到，“加入ITER前，國(guó)際主流聚變會(huì)議上，幾乎沒(méi)有我們的聲音。如今，越來(lái)越多中國(guó)學(xué)者獲邀在大會(huì)作主題報(bào)告、口頭報(bào)告，甚至擔(dān)任會(huì)議主席”。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，在ITER成功運(yùn)作后，國(guó)際核聚變研究將往前一大步。但“人造太陽(yáng)”離應(yīng)用還有多遠(yuǎn)，或許可借用國(guó)際上流行十多年的一個(gè)玩笑來(lái)回答，“核聚變發(fā)電僅需20年，而且永遠(yuǎn)如此”。