世界首次激光核聚變點火成功，“人造太陽”指日可待？

楊智杰

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火設施內部，這是一個基于激光的慣性約束聚變研究設施。圖/LLNL

當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)生什么結果？

當?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。中山大學中法核工程與技術學院副教授王志斌向《中國新聞周刊》解釋說，LLNL這次的實驗從科學層面證明了，慣性約束聚變可以實現(xiàn)凈能量增益。

“這一結果是科學的成功——但距離提供有用、豐富的清潔能源，還有很長的路要走。”劍橋大學核能講師托尼·魯爾斯通在一家公益機構媒體英國科學媒體中心上發(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原定目標是在2012年實現(xiàn)“點火”，但未能如期達成。NIF在此后多年備受爭議，業(yè)內一度悲觀認為，它可能永遠無法“點火”。

1950年代，英國物理學家約翰·勞森正式提出著名的“勞森點火準則”，即當核聚變反應產(chǎn)出能量大于損耗能量，并有足夠能量維持核聚變反應時，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。”王志斌解釋說。

核聚變是核能的一種形式，指兩個輕原子核結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，便是依靠內部不斷產(chǎn)生的核聚變提供動力。

核聚變燃料豐富且容易獲得，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)過聚變反應產(chǎn)生的能量，相當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。”王志斌介紹，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合，需要極為苛刻的條件。以太陽為例，其中心有高達1500萬攝氏度的超高溫，以及約有3000億個大氣壓的超高氣壓。可控核聚變被稱為“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。但一旦到了這一溫度，所有固態(tài)材料會直接汽化。上世紀50年代，蘇聯(lián)科學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)形圈內構建磁場約束核燃料，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，世界范圍內曾掀起托卡馬克建設熱潮，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。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。未來想要應用于現(xiàn)實，無論哪種技術路徑，都要考慮“投入產(chǎn)出比”。業(yè)內一般用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器中等離子穩(wěn)態(tài)的輸入裝置的能量之比。聚變反應發(fā)生在被稱為等離子體的物質狀態(tài)下，當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值便可達到1.25。但受限于設備和材料，這僅是理論上的結果。NIF之前，不少業(yè)內人士認為，JET保持著世界最好的紀錄。

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％，雖未達到收支平衡，但“向前邁出了歷史性的一步”，被認為是站在“點火”的門檻上。2022年9月，研究者又重復了這個實驗過程。兩個月后，NIF實現(xiàn)了“點火”。

相關研究者認為，這一結果能證明，可控核聚變在未來有可能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力負荷，也有可能用于制氫或者供暖等。

曼徹斯特大學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果”，但其并沒有考慮聚變反應的激光所需的能量，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，未來的共同目標是“要達到輸出能量為輸入能量的10倍、100倍，如果達到100倍，我們離核聚變電站就很近了。”

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，磁約束核聚變離應用到人類的生活中更近，“這是從現(xiàn)有技術看，假如慣性約束核聚變有其他的重要突破，那就另當別論。”

“兩種技術路徑的目的是不同的。”王志斌介紹，以托卡馬克裝置為主的磁約束核聚變，更像是“燒煤球”，建設目標是聚變反應堆，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鍵參數(shù)。

《科學》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”。

武漢大學水利水電學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)都在開展相關研究，這其中包括美國的NIF、中國在運行的最大激光聚變驅動器神光III等。

有研究者認為，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。“兩條路線都應繼續(xù)研究，因為它們彼此間能交互很多信息。”英國貝爾法斯特女王大學學者詹盧卡·薩里在接受《新科學人》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時間。“只有穩(wěn)定地燃燒，未來才有可能建成發(fā)電站。”王志斌說。

但目前運行的托卡馬克裝置，聚變反應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)下的紀錄。去年年底，中國自主設計的東方超環(huán)EAST，實現(xiàn)等離子運行達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，目前可控核聚變實現(xiàn)Q大于1，只是驗證了科學上的可行性。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。“可控核聚變的確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。”

在中國，科學家們自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，由安徽合肥中國科學院等離子體物理研究所設計的EAST，成為世界首個全超導托卡馬克裝置。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，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一個世界上最大的超導托卡馬克實驗反應堆。其中，中國承擔項目工程建設階段18個采購包，即設備零件的制造。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，越來越多中國學者獲邀在大會作主題報告、口頭報告，甚至擔任會議主席”。

業(yè)內普遍認為，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”離應用還有多遠，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，而且永遠如此”。