文︱《中國(guó)報(bào)道》見(jiàn)習(xí)記者 李士萌

北京時(shí)間2022年12月13日，美國(guó)能源部宣布了一項(xiàng)重大科學(xué)進(jìn)展。其下屬的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)首次成功在可控核聚變反應(yīng)中“點(diǎn)火”，即在實(shí)驗(yàn)中做到產(chǎn)生的能量大于輸入的能量，實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”。

“核聚變研究自20世紀(jì)50年代初就一直在進(jìn)行，這是在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)聚變產(chǎn)生的能量超過(guò)消耗的能量。”紐約羅切斯特大學(xué)核聚變實(shí)驗(yàn)室原主任邁克爾·坎貝爾說(shuō)。

安全可控的核聚變技術(shù)一直是科學(xué)界的攻堅(jiān)對(duì)象，這次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓人們看到了核聚變商業(yè)化的可能性。美國(guó)能源部長(zhǎng)詹妮弗格·蘭霍姆將這一突破形容為“21世紀(jì)最令人印象深刻的科學(xué)壯舉之一”。她在發(fā)布會(huì)上表示，核聚變的商業(yè)化，可能會(huì)在未來(lái)幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，但大概率不是之前說(shuō)的50—60年。到了那一天，人類(lèi)可以使用幾乎無(wú)碳的電力，這對(duì)于地球的生態(tài)環(huán)境意義重大。

一次具有里程碑意義的實(shí)驗(yàn)

這次成功的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年12月5日。研究人員將192束巨型激光射入一個(gè)橡皮擦大小的圓柱體，強(qiáng)烈的能量將容器加熱到超過(guò)300萬(wàn)攝氏度，容器內(nèi)裝有胡椒粒大小的燃料顆粒：氘和氚。氘和氚在非常高的壓力和溫度下迅速聚在一起，引發(fā)了類(lèi)似火箭的內(nèi)爆。

在持續(xù)不到十億分之一秒的微小火焰中，激光輸入了2.05兆焦耳能量，聚變的原子核釋放出3.15兆焦耳的能量，后者除以前者大于1，實(shí)現(xiàn)凈能量增益。

在此實(shí)驗(yàn)之前，讓核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于產(chǎn)生它所需的能量，一直是科學(xué)界難以攻克的高峰，也是科學(xué)家們自原子時(shí)代就不停探索的課題。LLNL實(shí)驗(yàn)室此前最好的成績(jī)，僅達(dá)到約70%的凈能量增益。用LLNL實(shí)驗(yàn)室主任金伯利·布迪爾的話(huà)來(lái)說(shuō)：“驅(qū)動(dòng)科學(xué)家跨越這一阻礙的，是60年持之以恒的付出。”

盡管許多科學(xué)家認(rèn)為核聚變發(fā)電站還需要幾十年的時(shí)間，但這項(xiàng)技術(shù)的潛力不容忽視。首先，核聚變反應(yīng)不需要燃燒化石燃料，因而不排放碳。此外，核聚變也不產(chǎn)生長(zhǎng)壽命的放射性廢物，而這正是現(xiàn)行核裂變核電站“令人頭疼”的一點(diǎn)。另外，從原理上看，核聚變所產(chǎn)生的能量比核裂變反應(yīng)效率更高，平均每個(gè)核子放出的能量是核裂變的3—4倍，一小杯氫燃料理論上可以為一所房子提供數(shù)百年的能源。

因而，核聚變產(chǎn)生的能量被視為世界上最清潔、安全的能源之一，被比作清潔能源的“圣杯”。美國(guó)國(guó)會(huì)議員唐·拜耳說(shuō)：“核聚變有可能讓世界上更多人口擺脫貧困，這比火種發(fā)明以來(lái)的任何事情都要多?！?/p>

拜登政府投入近3700億美元用于低碳能源的補(bǔ)貼，以努力減少排放，期冀贏得新一輪全球能源革命的勝利。大多數(shù)氣候科學(xué)家和政策制定者也表示，要實(shí)現(xiàn)全球升溫在2攝氏度以?xún)?nèi)的目標(biāo)，或者更高的1.5攝氏度的目標(biāo)，全球碳排放量必須在2025年達(dá)到頂峰。

實(shí)現(xiàn)商業(yè)化仍前路漫漫

“雖然是個(gè)好消息，但這一結(jié)果距離發(fā)電所需的實(shí)際能量增益，還有很長(zhǎng)的路要走?！庇?guó)劍橋大學(xué)的核能研究員托尼·勞爾斯頓在給科學(xué)媒體中心的一份聲明中表示。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然實(shí)現(xiàn)了研究人員所說(shuō)的科學(xué)收支平衡或能量增益，但并未實(shí)現(xiàn)工程收支平衡：實(shí)驗(yàn)最終產(chǎn)生了大約 3 兆焦耳的能量，但NIF產(chǎn)生短暫的2.05兆焦耳激光脈沖，需要從電網(wǎng)中提取300兆焦耳的能量。這意味著NIF實(shí)驗(yàn)的效率需要提高100倍才能完全收回成本。

LLNL武器物理和設(shè)計(jì)項(xiàng)目主任馬克·赫爾曼在接受《紐約時(shí)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)也指出，可能需要增益30—100倍才能讓聚變能發(fā)電廠(chǎng)成為可能。

“這就像我們要花費(fèi)多少能量來(lái)煮沸 10 壺水?！?倫敦帝國(guó)理工學(xué)院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任杰里米·奇滕登在接受CNN采訪(fǎng)時(shí)表示。此次實(shí)驗(yàn)中釋放的3.15兆焦耳的能量大概可以燒開(kāi)10壺水，“為了把它變成一個(gè)發(fā)電站，我們需要讓它更加可持續(xù)，我們需要大幅降低成本”。

“可重復(fù)”是聚變能商業(yè)化的另一堵點(diǎn)。美國(guó)另一國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聚變能部門(mén)的主任米奇·韋德指出，現(xiàn)在的激光器需要幾個(gè)小時(shí)才能冷卻，這使得激光轟擊發(fā)電廠(chǎng)的設(shè)想（雖然聽(tīng)起來(lái)非常棒）完全不可能。

他認(rèn)為，未來(lái)的“慣性安全殼”反應(yīng)堆需要像汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣工作，每秒產(chǎn)生幾次微型爆炸。根據(jù)韋德的看法，接下來(lái)聚變能商業(yè)化要做的是延長(zhǎng)這些反應(yīng)的時(shí)間，至少維持在數(shù)十秒甚至數(shù)百秒。例如，ITER（國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆）的目標(biāo)是連續(xù)維持聚變反應(yīng)至少400秒。

下一個(gè)可能性在哪里？

曾在華盛頓美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任激光聚變項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的物理學(xué)家斯蒂芬·博德納認(rèn)為，現(xiàn)在最大的問(wèn)題是美國(guó)能源部接下來(lái)要做什么，是加倍在NIF上進(jìn)行武器研究，還是轉(zhuǎn)向聚變能研究的激光項(xiàng)目。

國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施（NIF）計(jì)劃起初不是為了制造電力而設(shè)計(jì)；相反，它是美國(guó)核武器“庫(kù)存管理”計(jì)劃的一部分?！癗IF并不是為了高效而設(shè)計(jì)的，它被設(shè)計(jì)成最大的激光器，為我們提供庫(kù)存管理計(jì)劃所需的數(shù)據(jù)?！瘪R克·赫爾曼指出。諸多專(zhuān)家認(rèn)為，聚變能實(shí)驗(yàn)的下一個(gè)重大進(jìn)展不太可能來(lái)自 NIF。

那新的突破可能從哪里產(chǎn)生？從國(guó)家到公司，源源不斷的資金正涌向核聚變相關(guān)項(xiàng)目。據(jù)美國(guó)聚變工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，截至2022年年底，核聚變公司報(bào)告的私人承諾投資總額超過(guò)47億美元。同時(shí)，美國(guó)聯(lián)邦資金的支持也有所增加。拜登簽署的《通脹削減法案》為聚變項(xiàng)目提供了數(shù)百萬(wàn)美元的新資金。白宮于2022年3月召開(kāi)了首次核聚變峰會(huì)，在峰會(huì)上制定了聚變技術(shù)商業(yè)化的 10 年計(jì)劃。

斯蒂芬·博德納表示，他過(guò)去一直對(duì)核聚變持謹(jǐn)慎態(tài)度，但在過(guò)去幾年里，他開(kāi)始相信，如果美國(guó)將重點(diǎn)從“武器”轉(zhuǎn)移到“能源生產(chǎn)”，聚變能商業(yè)化就有可能成功。

在這場(chǎng)大型的科研競(jìng)賽中，美國(guó)外的其他大國(guó)也一直沒(méi)有缺席。

2020年，被稱(chēng)為“世界上最大的核聚變項(xiàng)目”ITER（國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆）在經(jīng)歷近10年的延宕后，在法國(guó)開(kāi)始組裝。該項(xiàng)目由中國(guó)、歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)七個(gè)成員國(guó)共同參與，耗資逾220億美元，旨在探索清潔聚變能規(guī)模生產(chǎn)的可能性。

中國(guó)也在不斷探索自主可控的核聚變技術(shù)。2017年12月，中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR）在安徽合肥正式啟動(dòng)工程設(shè)計(jì)，按計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2035年，該項(xiàng)目將建成聚變工程實(shí)驗(yàn)堆，并開(kāi)始大規(guī)?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)。