楊智杰

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火設(shè)施內(nèi)部，這是一個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轟擊一顆胡椒粒大小、裝有氘和氚元素的圓柱體時，會產(chǎn)生什么結(jié)果？

當(dāng)?shù)貢r間12月5日，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）開展了這項實驗，“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，美國能源部與美國國家核安全管理局專門召開新聞發(fā)布會，宣布這一重大突破。美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆稱，“這是一個具有里程碑意義的成就”，未來將激發(fā)更多發(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，仍處于實驗階段。中山大學(xué)中法核工程與技術(shù)學(xué)院副教授王志斌向《中國新聞周刊》解釋說，LLNL這次的實驗從科學(xué)層面證明了，慣性約束聚變可以實現(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構(gòu)媒體英國科學(xué)媒體中心上發(fā)表評論稱。

早在2009年，美國國家核安全管理局在加州的LLNL建成國家點火裝置（NIF），在高10層、約有3個足球場大的建筑物中開展前述實驗。NIF原定目標(biāo)是在2012年實現(xiàn)“點火”，但未能如期達(dá)成。NIF在此后多年備受爭議，業(yè)內(nèi)一度悲觀認(rèn)為，它可能永遠(yuǎn)無法“點火”。

1950年代，英國物理學(xué)家約翰·勞森正式提出著名的“勞森點火準(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，意味著成功“點火”。這是可控核聚變走入現(xiàn)實的必要指標(biāo)之一。“只有這種情況下，核聚變裝置才有望提供能源，而不只是一個耗電器?！蓖踔颈蠼忉屨f。

核聚變是核能的一種形式，指兩個輕原子核結(jié)合成一個重原子核并產(chǎn)生能量的過程。太陽之所以發(fā)光發(fā)熱，便是依靠內(nèi)部不斷產(chǎn)生的核聚變提供動力。

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立方千米海水所含的氘，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備產(chǎn)生的總能量”，如果能開發(fā)，將“一勞永逸”解決人類的能源需要。

1952年，太平洋一個無人島上，美國引爆世界上第一顆氫彈，讓世人第一次見識到核聚變的威力。“但這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3000億個大氣壓的超高氣壓?？煽睾司圩儽环Q為“人造太陽”，需要模擬太陽中心的環(huán)境。實現(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。

地球上無法實現(xiàn)太陽上的超高壓，如果把核燃料加熱到1億攝氏度以上，原子核便會有足夠動力相互碰撞，發(fā)生聚變反應(yīng)。但一旦到了這一溫度，所有固態(tài)材料會直接汽化。上世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家研制出一個形似甜甜圈的“煉丹爐”，被稱為托卡馬克裝置。它在環(huán)形圈內(nèi)構(gòu)建磁場約束核燃料，使其不與容器壁接觸，可以持續(xù)燃燒一段時間，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。

慣性約束核聚變，是通過激光產(chǎn)生巨大壓強，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驗階段。未來想要應(yīng)用于現(xiàn)實，無論哪種技術(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)生在被稱為等離子體的物質(zhì)狀態(tài)下，當(dāng)Q大于1時，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的托卡馬克進行氘-氘實驗后推算，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的突破是循序漸進的。早在2013年，LNLL曾稱NIF有了巨大進展，被媒體誤讀為“產(chǎn)生了凈能量”。美國《大西洋月刊》形容，當(dāng)時的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，約占實驗中激光輸入能量的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“點火”的門檻上。2022年9月，研究者又重復(fù)了這個實驗過程。兩個月后，NIF實現(xiàn)了“點火”。

相關(guān)研究者認(rèn)為，這一結(jié)果能證明，可控核聚變在未來有可能為電網(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)對眼下的能源危機。

王志斌向《中國新聞周刊》解釋說，NIF判斷的Q值，是原子核吸收和放出的能量之比。但這一過程中，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30：25，而不是30：100。”在他看來，未來想要真正實現(xiàn)經(jīng)濟、可靠，核聚變的能量必須高于輸入激光器的能量。

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

張杰曾告訴媒體，無論是磁約束核聚變還是慣性約束核聚變，未來的共同目標(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“在不進行核試驗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，出于國防和戰(zhàn)略安全考慮，美國、中國、歐盟、英、日等國家和地區(qū)都在開展相關(guān)研究，這其中包括美國的NIF、中國在運行的最大激光聚變驅(qū)動器神光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，因為它們彼此間能交互很多信息?！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》采訪時提到。

除了Q值，可控核聚變未來想要商用，還要盡可能延長反應(yīng)時間。“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。

但目前運行的托卡馬克裝置，聚變反應(yīng)時間僅能以秒為單位計算。2022年2月，世界上運行中的最大托卡馬克裝置JET，在實驗中做到連續(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，中國自主設(shè)計的東方超環(huán)EAST，實現(xiàn)等離子運行達(dá)1056秒，這是目前世界上托卡馬克裝置高溫等離子體運行的最長時間。

王志斌強調(diào)，目前可控核聚變實現(xiàn)Q大于1，只是驗證了科學(xué)上的可行性。未來需要先建聚變示范電站，驗證工程上可行。但這類電站投入建造成本高，發(fā)電價格遠(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)有能源價格相近，市場競爭力才會顯現(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，中國第一個托卡馬克裝置建成。進入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)計的EAST，成為世界首個全超導(dǎo)托卡馬克裝置。此外，中國環(huán)流器二號A（HL-2A）、中國環(huán)流器二號M裝置等托卡馬克裝置，由中核集團核工業(yè)西南物理研究院建設(shè)，在成都投入實驗。

王志斌告訴《中國新聞周刊》，中國的可控核聚變發(fā)展，過去是跟跑，如今已和歐美并跑。一個關(guān)鍵節(jié)點是，2007年，中國加入國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃。中國與歐盟、印度、日本、美國等，計劃在法國共同建設(shè)一個世界上最大的超導(dǎo)托卡馬克實驗反應(yīng)堆。其中，中國承擔(dān)項目工程建設(shè)階段18個采購包，即設(shè)備零件的制造。項目在2010年開建，計劃2025年建成。

中國國際核聚變能源計劃執(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)者獲邀在大會作主題報告、口頭報告，甚至擔(dān)任會議主席”。

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