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，可控核聚變被認為是“人類的終極能源”，但歷經(jīng)70多年的研究后，仍處在實驗階段?！包c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)實必要的指標之一。“只有這種情況下，這一裝置才有望提供能源，而不只是一個耗電器?！敝猩酱髮W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·魯爾斯通在英國科學媒體中心上發(fā)表評論稱。
美國首次成功在核聚變反應中實現(xiàn)“凈能量增益”。圖/視覺中國
實現(xiàn)“點火”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”。
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。太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱，便是依靠內部不斷產(chǎn)生的核聚變提供動力。一個原子核分裂成兩個輕原子核，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立方公里海水所含的氘，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”地解決人類的能源需要。
1952年，太平洋的一個無人島上，美國引爆世界上第一顆氫彈，世界第一次見識到核聚變的威力?！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?？煽睾司圩兺环Q為“人造太陽”，需要模擬太陽中心的環(huán)境。實現(xiàn)可控核聚變有兩條主流的技術路徑：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，原子核便會有足夠的動力相互碰撞，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，前蘇聯(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，使其不與高溫的容器壁接觸，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。
而慣性約束核聚變，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)內稱之為Q值。即能量增益因子，指核聚變反應輸出能量與輸入能量之比。當Q值大于1時，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，其超導托卡馬克裝置JT-60實現(xiàn)了Q值為1.25。但實驗無法重復，而且其中一個指標與國際主流的指標不同。在NIF之前，不少人仍認為，歐洲托卡馬克JET在1997年實現(xiàn)的Q值為0.67，是全世界最好的記錄。
NIF的突破是循序漸進的。2022年1月，NIF團隊在《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，研究者證明了相關的機制，并稱有信心在未來產(chǎn)出更多能量。9月，研究者又重復了這個實驗過程。2個月后，NIF實現(xiàn)了“點火”。
“這一實驗的成功使行業(yè)對可控核聚變的未來也會更加樂觀?！蓖踔颈髮Α吨袊侣勚芸氛f。
相關研究者認為，這個結果能證明，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。但這個過程中，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?，F(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。
“人造太陽”離現(xiàn)實還有多遠？
王志斌提到，從獲得大規(guī)模、經(jīng)濟的能源角度來看，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?！?/p>
“兩種技術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。
也有研究者認為，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?！皟蓷l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?！蓖踔颈笳f。
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，刷新自己在1997年創(chuàng)下的記錄。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，目前可控核聚變可以實現(xiàn)Q大于1，只是驗證了科學的可行性。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?！?/p>
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，還有中國環(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做主題報告、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。但如今，“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”。
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