激光核聚變點(diǎn)火成功“人造太陽”指日可待？

楊智杰

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2022年12月5日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）開展這項(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，美國能源部與美國核安全管理局專門召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布這一重大突破。美國能源部部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆稱，“這是一個(gè)具有里程碑意義的成就”，未來將激發(fā)更多的發(fā)現(xiàn)，為美國國防和清潔能源的發(fā)展鋪平道路。

一直以來，可控核聚變被認(rèn)為是“人類的終極能源”，但歷經(jīng)70多年的研究后，仍處在實(shí)驗(yàn)階段。“點(diǎn)火”，即核聚變產(chǎn)生的能量超過激光束打入的能量，是可控核聚變走入現(xiàn)實(shí)必要的指標(biāo)之一?！爸挥羞@種情況下，這一裝置才有望提供能源，而不只是一個(gè)耗電器?！敝猩酱髮W(xué)中法核工程與技術(shù)學(xué)院副教授王志斌向記者解釋說，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·魯爾斯通在英國科學(xué)媒體中心上發(fā)表評(píng)論稱。

實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”意味著什么？

早在2009年，美國國家核安全管理局在加州的LLNL建成國家點(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)無法“點(diǎn)火”。

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)生能量的過程。太陽之所以能發(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。一個(gè)原子核分裂成兩個(gè)輕原子核，也可以產(chǎn)生能量，被稱為核裂變，人們熟知的原子彈、核電站都是采用的這一原理。

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。中國科學(xué)院院士、中科院物理所研究員張杰形容，“1立方公里海水所含的氘，經(jīng)過聚變反應(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”，如果能開發(fā)，將“一勞永逸”地解決人類的能源需要。

1952年，太平洋的一個(gè)無人島上，美國引爆世界上第一顆氫彈，世界第一次見識(shí)到核聚變的威力?！暗@些能量是被瞬間釋放出來的，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?！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。以太陽為例，其中心有高達(dá)1500萬攝氏度的超高溫，以及約有3000億個(gè)大氣壓的超高氣壓?？煽睾司圩兺环Q為“人造太陽”，需要模擬太陽中心的環(huán)境。實(shí)現(xiàn)可控核聚變有兩條主流的技術(shù)路徑：磁約束核聚變和慣性約束核聚變。

地球上無法實(shí)現(xiàn)太陽的超高壓，但如果把核燃料加熱到1 億攝氏度以上，原子核便會(huì)有足夠的動(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，使其不與高溫的容器壁接觸，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、歐洲、日本、中國都斥巨資打造了這類大型裝置。

而慣性約束核聚變，是通過激光產(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，各國可控核聚變裝置仍在實(shí)驗(yàn)階段。未來想要應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，無論哪種技術(shù)路徑，都要考慮“投入產(chǎn)出比”，業(yè)內(nèi)稱之為Q值，即能量增益因子，指核聚變反應(yīng)輸出能量與輸入能量之比。當(dāng)Q值大于1時(shí)，就意味著可控核聚變“不虧本”，產(chǎn)生的能量大于消耗的能量。

目前，各國可控核聚變裝置仍在實(shí)驗(yàn)階段。未來想要應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，無論哪種技術(shù)路徑，都要考慮“投入產(chǎn)出比”，業(yè)內(nèi)稱之為Q值，即能量增益因子，指核聚變反應(yīng)輸出能量與輸入能量之比。當(dāng)Q值大于1時(shí)，就意味著可控核聚變“不虧本”，產(chǎn)生的能量大于消耗的能量。

1997年，日本聲稱，其超導(dǎo)托卡馬克裝置JT-60實(shí)現(xiàn)了Q值為1.25。但實(shí)驗(yàn)無法重復(fù)，而且其中一個(gè)指標(biāo)與國際主流的指標(biāo)不同。在NIF之前，不少人仍認(rèn)為，歐洲托卡馬克JET在1997年實(shí)現(xiàn)的Q值為0.67，是全世界最好的記錄。

NIF的突破是循序漸進(jìn)的。2022年1月，NIF團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表文章提到，已經(jīng)用1.7兆焦耳的激光發(fā)射產(chǎn)出了1.3兆焦耳能量，研究者證明了相關(guān)的機(jī)制，并稱有信心在未來產(chǎn)出更多能量。9月，研究者又重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。兩個(gè)月后，NIF實(shí)現(xiàn)了“點(diǎn)火”。

“這一實(shí)驗(yàn)的成功使行業(yè)對(duì)可控核聚變的未來也會(huì)更加樂觀。”王志斌對(duì)記者說。

相關(guān)研究者認(rèn)為，這個(gè)結(jié)果能證明，可控核聚變?cè)谖磥碛锌赡転殡娋W(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”，但其并沒有考慮聚變反應(yīng)的激光所需的能量，或者過程中的低效與損耗，這些都必須在未來商用時(shí)考慮到。因此，“我們離商業(yè)核聚變還有一段路要走”，更無法幫助人類應(yīng)對(duì)眼下的能源危機(jī)。

王志斌向記者解釋說，NIF判斷的Q值，是原子核吸收和放出的能量之比。但這個(gè)過程中，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是用30比25，而不是30比100?！痹谒磥?，未來想要真正實(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。

人造太陽離現(xiàn)實(shí)有多遠(yuǎn)？

王志斌提到，從獲得大規(guī)模、經(jīng)濟(jì)的能源角度來看，相比慣性約束核聚變，磁約束核聚變離應(yīng)用到人類的生活中更近，“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。”

“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”，過程接近核爆炸，可以通過這些裝置的研究來獲取關(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)，以確保美國核武器庫的安全可靠。12月13日，美國能源部部長(zhǎng)也提到，NIF的工作幫助解決人類最復(fù)雜和緊迫的問題，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2022年8月發(fā)表的一篇論文中提到，出于國防和戰(zhàn)略安全考慮，美國、中國、歐盟、英國、日本等國家和地區(qū)都在開展相關(guān)研究，這其中包括美國的NIF、中國在運(yùn)行的最大激光聚變驅(qū)動(dòng)器神光Ⅲ等。

也有研究者認(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?！庇悹柗ㄋ固嘏醮髮W(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，可控核聚變未來想要商用，還要盡可能延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。“只有穩(wěn)定地燃燒，未來才有可能建成發(fā)電站?！蓖踔颈笳f。

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，刷新自己在1997年創(chuàng)下的紀(jì)錄。去年年底，中國自主設(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)，目前可控核聚變可以實(shí)現(xiàn)Q大于1，只是驗(yàn)證了科學(xué)的可行性。未來需要先建聚變示范電站，驗(yàn)證工程上可行。但這類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?！翱煽睾司圩兊拇_有可能是人類的未來能源，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，科學(xué)家們自1950年代開啟聚變研究，1980年代中國第一個(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，還有中國環(huán)流器二號(hào)A（HL-2A）、中國環(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)。

王志斌告訴記者，中國的可控核聚變發(fā)展，過去是跟跑，如今已和歐美并跑。一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是，2007年，中國加入國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃。中國與歐盟、印度、日本、美國等，計(jì)劃在法國共同建設(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，中國承擔(dān)項(xiàng)目工程建設(shè)階段18個(gè)采購包，即設(shè)備零件的制造。項(xiàng)目在2010年開建，計(jì)劃2025年建成。

中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心主任羅德隆曾提到，“加入ITER前，國際主流聚變會(huì)議上，幾乎沒有我們的聲音。如今，越來越多中國學(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，國際核聚變研究將往前一大步。但如今，“人造太陽”離應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？或許可借用國際上流行10多年的一個(gè)玩笑來回答，“核聚變發(fā)電僅需20年，而且永遠(yuǎn)如此”。

◎ 來源|中國新聞周刊