人工核聚變，商業(yè)化有多難？

在美國國家點火設(shè)施的聚變實驗中，192條激光束集中于裝有重氫燃料的目標

美國能源部官員12月13日宣布，加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）首次成功在核聚變反應(yīng)中，實現(xiàn)“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。

核聚變技術(shù)門檻高，但只需要使用地球上兩種相對豐富的材料—鋰和氫；如果真的商業(yè)化大規(guī)模運用，對于解決全球氣候變暖有很大幫助。當前實驗數(shù)據(jù)顯示，大規(guī)模的核聚變應(yīng)用，可以幫助各國實現(xiàn)2050年的“凈零”排放目標。

幾十年來，科學家們一直在進行核聚變反應(yīng)實驗，直至現(xiàn)在才實現(xiàn)“產(chǎn)生能量多于消耗能量”的“凈能量增益”成果。這一重大突破，象征著清潔能源未來的美好前景。盡管成就顯著，前方仍面臨巨大的工程和科學挑戰(zhàn)。

當重原子分裂成亞原子粒子時，結(jié)合原子的能量會被釋放出來，這稱為核能。一旦反應(yīng)被激活，核聚變和核裂變反應(yīng)均會釋放核能，可通過反應(yīng)堆轉(zhuǎn)化為電能等形式。

目前，全球的核電站均通過核裂變來發(fā)電，但地球上所蘊含的核裂變?nèi)剂戏浅Ｓ邢蓿⑶伊炎兎磻?yīng)過程中，會產(chǎn)生巨大的輻射，對人體造成不同程度的危害。裂變過程也會產(chǎn)生具有危險性的放射性廢料，這些廢料衰變速度極慢，儲存時間可能要長達數(shù)百年。

相比之下，核聚變產(chǎn)生的廢料，放射性較低，衰變更快，不會產(chǎn)生碳排放，且大多數(shù)聚變實驗使用的材料氫和鋰，可以從海水中低成本提取，或意味著燃料供應(yīng)可以持續(xù)數(shù)百萬年。

1950年代以來，科學家一直在攻關(guān)核聚變發(fā)電。而核聚變作為宇宙中最常見的反應(yīng)，也是宇宙絕大部分恒星能量的來源。由于太陽就是一顆不停進行著聚變反應(yīng)的火球，這項工作有時被比喻為在地球上建造一顆恒星。

2022年12月13日，美國國家核安全管理局國防項目副局長舉起與此次核聚變反應(yīng)類似的圓筒

強烈的激光可將膠囊加熱至1億攝氏度—這比太陽中心還熱。

與核裂變原理相反，核聚變是以極高速度讓兩個較輕原子的微小粒子受熱粉碎，并將其結(jié)合形成一個更重的粒子。當一種較輕元素（如氫）的兩個原子被加熱并結(jié)合形成一個更重的元素（如氦）時，核反應(yīng)會產(chǎn)生大量可被捕獲的能量。但由于兩個相同的元素具有同樣的正電荷，而自然地互相排斥，將其結(jié)合起來非常困難。

在太陽中，得益于約1000萬攝氏度的極高溫度及巨大的壓力（超過地球大氣壓的1000億倍），兩個相同的元素可以輕易結(jié)合。而在地球上，難以維持足夠長時間的高溫高壓。同時，由于高溫高壓下的聚變反應(yīng)難以精確控制，“凈能量增益”說易行難。

這一狀況直到近日發(fā)生了變化：美國國家點火設(shè)施（NIF）的聚變實驗，據(jù)稱實現(xiàn)了“點火”—產(chǎn)生的聚變能量大于啟動反應(yīng)的激光能量，即獲得“凈能量增益”。

此次成功的點火實驗，設(shè)施耗資35億美元，是世界上最大、能量最高的激光系統(tǒng)。

據(jù)悉，此設(shè)備最初是為了通過模擬爆炸來測試核武器，隨后被用于推進聚變能研究，主要用于模擬與恒星內(nèi)部相似的條件。

太陽的內(nèi)核處于高溫及巨大壓力之下，這使氫原子核發(fā)生聚變形成氦核，并釋放能量。而NIF的反應(yīng)堆，是一個基于激光的慣性約束核聚變裝置，使用強大的激光束，產(chǎn)生類似于恒星和巨行星的內(nèi)核環(huán)境。

在此次成功實現(xiàn)的聚變點火中，NIF將少量氫氣放入一個花椒大小的膠囊中，隨后將192條激光束集中于裝有重氫燃料的目標上。強烈的激光可將膠囊加熱至1億攝氏度—這比太陽中心還熱，并施加相當于地球大氣壓1000億倍以上的壓力。在這些力的作用下，膠囊開始自行內(nèi)爆，迫使氫原子融合并釋放能量。

美國國家核安全局負責國防項目的副局長馬文·亞當斯，在宣布這一突破時表示，實驗室的激光器向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，然后產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出；實驗成功地使用了192束激光，將少量的氫氣轉(zhuǎn)化為足夠的能量，來為15—20個水壺供電。

科學家在美國國家點火設(shè)施內(nèi)工作

LLNL的科學家們從1988年起，堅持研究慣性約束聚變，終于有所成就。2021年8月，NIF報告稱，其實驗輸出了1.37兆焦耳的聚變能量，約占所用激光能量的70%，是NIF裝置當時最接近“凈能量增益”的時刻。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆亦表示，2022年的最新實驗，開啟了一種全新的清潔能源來源。“若我們能達到一定規(guī)模，將為實現(xiàn)零碳排放電力目標，作出一項了不起的努力。”

多數(shù)科學家均對NIF的研究成果表示欣喜，并將其描述為一個真正的突破時刻。但他們也指出，僅僅是使用激光將少量氫氣轉(zhuǎn)化為能量，為水壺供電這一項研究，就耗資數(shù)十億美元。而當前實現(xiàn)的“凈能量增益”規(guī)模，遠小于實現(xiàn)電網(wǎng)供電和建筑物供暖所需的規(guī)模。

NIF的情況并非個例。總部位于英國的JET實驗室在2021年12月進行的核聚變發(fā)電實驗中，打破了聚變提取能量的紀錄，實驗在5秒鐘內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦耳的能量（11兆瓦的功率）。雖然這較JET在1997年實現(xiàn)的22兆焦耳能量輸出紀錄增加了一倍多，但這同樣不是巨大的能量輸出—只夠燒開大約60個水壺的水。

目前實現(xiàn)的主流可控核聚變的方式有兩種：磁約束和慣性約束。

192條激光束所融合成的激光脈沖，峰值功率是美國所有電站峰值功率的500倍還多。

磁約束核聚變，使用特殊形態(tài)的磁場，將氘、氚等輕原子核和自由電子組成的、處于熱核反應(yīng)狀態(tài)的超高溫等離子體，約束在有限的體積內(nèi)，使其受控制地發(fā)生核聚變反應(yīng)。這是目前正在法國建設(shè)的大型國際項目ITER（國際熱核聚變實驗堆）以及JET使用的反應(yīng)堆類型。

美國國家點火設(shè)施內(nèi)部

而慣性約束核聚變則是以高功率激光作為驅(qū)動器，即NIF所采取的實驗方式。

但無論哪種方式，從現(xiàn)有案例來看，目前大多數(shù)所實現(xiàn)的核聚變提取能量實驗，都是由NIF和JET等公共資助的實驗室完成的。這意味著，實現(xiàn)“凈能量增益”仍需要世界上最前沿設(shè)備的參與，同時也需要大量資源來重建能量生產(chǎn)所需條件：此次NIF實驗中使用的192條激光束，每束激光發(fā)射出持續(xù)大約十億分之三秒、蘊涵180萬焦耳能量的脈沖紫外光，所融合成的激光脈沖，峰值功率是美國所有電站峰值功率的500倍還多。

此外，NIF的激光效率并不高，一次實驗只進行一次激光發(fā)射，而對于商業(yè)發(fā)電廠而言，可能需要一秒鐘完成幾次發(fā)射。更重要的是，工程師們還沒有開發(fā)出將這種凈能量轉(zhuǎn)化為電能的機器。建造足夠大規(guī)模產(chǎn)生聚變能的設(shè)備，需要極其難以生產(chǎn)的材料。

與此同時，反應(yīng)產(chǎn)生的能量亦會給產(chǎn)生它的設(shè)備帶來高壓，以至于其可能在這個過程中被摧毀。知情人士表示，NIF此次實驗的能量產(chǎn)出超出了預期，損壞了部分診斷設(shè)備，使得分析工作變得復雜。

重要性研究終獲實質(zhì)性突破，一旦核聚變能夠成功商業(yè)化，或?qū)⒁馕吨祟悡碛辛巳≈槐M的能源。但關(guān)于核聚變發(fā)電何時能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的答案，仍存在巨大不確定性。相關(guān)研究估計，或需要20年時間，若考慮核聚變擴大規(guī)模與普及的時間，或?qū)⒃傺舆t幾十年。這無疑是一場漫長的比賽。

JET實驗室相關(guān)負責人表示，聚變很復雜，也很困難，仍需要大量時間進行探索與推進。“這就是為什么我們必須確保從一代到下一代，都有科學家、工程師和技術(shù)人員能夠推動事情向前發(fā)展。”

也有業(yè)內(nèi)人士指出，核聚變并不是一種僅僅用于實現(xiàn)2050年凈零排放目標的解決方案，而是一個在本世紀下半葉為社會提供動力的能源方案。據(jù)悉，ITER項目是全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，得到了世界各國政府的支持，包括歐盟成員國、美國、中國和俄羅斯。

無論如何，此次由NIF實現(xiàn)的核聚變凈能量增益，是推動清潔能源發(fā)展的重要一步。美國國家核安全局局長吉爾·赫魯比表示：“我們已經(jīng)向著一種可能徹底改變世界的清潔能源，邁出了試探性的第一步。”

責任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com