激光核聚变点火成功“人造太阳”指日可待？

杨智杰

當192束超高能量的激光束同时轰击一颗胡椒粒大小、装有氘和氚元素的圆柱体时，会产生什么结果？

当地时间2022年12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）开展这项实验，“奇迹”发生了。激光束为圆柱体提供2.05 兆焦耳的能量后，输出了3.15兆焦耳的核聚变能量。12月13日上午，美国能源部与美国核安全管理局专门召开新闻发布会，宣布这一重大突破。美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆称，“这是一个具有里程碑意义的成就”，未来将激发更多的发现，为美国国防和清洁能源的发展铺平道路。

一直以来，可控核聚变被认为是“人类的终极能源”，但历经70多年的研究后，仍处在实验阶段。“点火”，即核聚变产生的能量超过激光束打入的能量，是可控核聚变走入现实必要的指标之一。“只有这种情况下，这一装置才有望提供能源，而不只是一个耗电器。”中山大学中法核工程与技术学院副教授王志斌向记者解释说，LLNL这次的实验从科学层面证明了，惯性约束聚变可以实现净能量增益。

“这一结果是科学的成功——但距离提供有用、丰富的清洁能源，还有很长的路要走。”剑桥大学核能讲师托尼·鲁尔斯通在英国科学媒体中心上发表评论称。

实现“点火”意味着什么？

早在2009年，美国国家核安全管理局在加州的LLNL建成国家点火装置（NIF），在高10层、约有3个足球场大的建筑物中开展前述实验。NIF原定目标是在2012年实现“点火”，但未能如期达成。NIF在此后多年备受争议，业内一度悲观认为，它可能永远无法“点火”。

核聚变是核能的一种形式，指两个轻原子核结合成一个重原子核并产生能量的过程。太阳之所以能发光发热，便是依靠内部不断产生的核聚变提供动力。一个原子核分裂成两个轻原子核，也可以产生能量，被称为核裂变，人们熟知的原子弹、核电站都是采用的这一原理。

核聚变燃料丰富且容易获得，氘可以从海水中提取，氚可以利用丰富的天然锂生产。核聚变也不会产生高放射性的核废物，清洁安全。中国科学院院士、中科院物理所研究员张杰形容，“1立方公里海水所含的氘，经过聚变反应产生的能量，相当于地球上所有石油储备产生的总能量”，如果能开发，将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。

1952年，太平洋的一个无人岛上，美国引爆世界上第一颗氢弹，世界第一次见识到核聚变的威力。“但这些能量是被瞬间释放出来的，如果想要成为民用的能源，能量需要缓慢有序地、受控制地释放出来。”王志斌介绍，这才有了可控核聚变的研究。

想要两个原子核克服电排斥力结合，需要极为苛刻的条件。以太阳为例，其中心有高达1500万摄氏度的超高温，以及约有3000亿个大气压的超高气压。可控核聚变往往被称为“人造太阳”，需要模拟太阳中心的环境。实现可控核聚变有两条主流的技术路径：磁约束核聚变和惯性约束核聚变。

地球上无法实现太阳的超高压，但如果把核燃料加热到1 亿摄氏度以上，原子核便会有足够的动力相互碰撞，发生聚变反应。但一旦到了这一温度，所有固态材料会直接汽化。上世纪50年代，苏联科学家研制出一个形似甜甜圈的“炼丹炉”，被称为托卡马克装置。它在环形圈内构建磁场约束核燃料，使其不与高温的容器壁接触，可以持续燃烧一段时间，产生能量。此后，世界范围内曾掀起托卡马克建设热潮，美国、欧洲、日本、中国都斥巨资打造了这类大型装置。

而惯性约束核聚变，是通过激光产生巨大压强，使核燃料体积在瞬间变小，密度变大，原子核发生聚变反应。世界上最知名的装置，便是今天的主角：NIF。

目前，各国可控核聚变装置仍在实验阶段。未来想要应用于现实，无论哪种技术路径，都要考虑“投入产出比”，业内称之为Q值，即能量增益因子，指核聚变反应输出能量与输入能量之比。当Q值大于1时，就意味着可控核聚变“不亏本”，产生的能量大于消耗的能量。

目前，各国可控核聚变装置仍在实验阶段。未来想要应用于现实，无论哪种技术路径，都要考虑“投入产出比”，业内称之为Q值，即能量增益因子，指核聚变反应输出能量与输入能量之比。当Q值大于1时，就意味着可控核聚变“不亏本”，产生的能量大于消耗的能量。

1997年，日本声称，其超导托卡马克装置JT-60实现了Q值为1.25。但实验无法重复，而且其中一个指标与国际主流的指标不同。在NIF之前，不少人仍认为，欧洲托卡马克JET在1997年实现的Q值为0.67，是全世界最好的记录。

NIF的突破是循序渐进的。2022年1月，NIF团队在《自然》杂志发表文章提到，已经用1.7兆焦耳的激光发射产出了1.3兆焦耳能量，研究者证明了相关的机制，并称有信心在未来产出更多能量。9月，研究者又重复了这个实验过程。两个月后，NIF实现了“点火”。

“这一实验的成功使行业对可控核聚变的未来也会更加乐观。”王志斌对记者说。

相关研究者认为，这个结果能证明，可控核聚变在未来有可能为电网提供稳定的电力负荷，也有可能用于制氢或者供暖等。

曼彻斯特大学核聚变研究人员阿尼卡·汗告诉媒体，这是“有前途和令人兴奋的结果”，但其并没有考虑聚变反应的激光所需的能量，或者过程中的低效与损耗，这些都必须在未来商用时考虑到。因此，“我们离商业核聚变还有一段路要走”，更无法帮助人类应对眼下的能源危机。

王志斌向记者解释说，NIF判断的Q值，是原子核吸收和放出的能量之比。但这个过程中，激光器有大量能量损耗，“你可以想象为，从电网取了100瓦的电输入到装置，但真正用到原子核反应堆的电只有25瓦，输出了30瓦的电。现在的Q是用30比25，而不是30比100。”在他看来，未来想要真正实现经济、可靠，核聚变的能量必须高于输入激光器的能量。

人造太阳离现实有多远？

王志斌提到，从获得大规模、经济的能源角度来看，相比惯性约束核聚变，磁约束核聚变离应用到人类的生活中更近，“这是从现有技术看，假如惯性约束核聚变有其他的重要突破，那就另当别论。”

“两种技术路径的目的是不同的。”王志斌介绍，以托卡马克装置为主的磁约束核聚变，更像是“烧煤球”，建设目标是聚变反应堆，输出能源，可用于发电等。惯性约束核聚变更像是“划火柴”，过程接近核爆炸，可以通过这些装置的研究来获取关键参数。

《科学》杂志12月13日直言，NIF 从未计划用于商业发电，主要功能是制造微型核爆炸，并提供数据，以确保美国核武器库的安全可靠。12月13日，美国能源部部长也提到，NIF的工作帮助解决人类最复杂和紧迫的问题，其中包括“在不进行核试验的情况下维持核威慑力”。

武汉大学水利水电学院副教授徐明毅在2022年8月发表的一篇论文中提到，出于国防和战略安全考虑，美国、中国、欧盟、英国、日本等国家和地区都在开展相关研究，这其中包括美国的NIF、中国在运行的最大激光聚变驱动器神光Ⅲ等。

也有研究者认为，惯性约束核聚变并非不适合提供清洁能源，甚至也可以发挥重要作用。“两条路线都应继续研究，因为它们彼此间能交互很多信息。”英国贝尔法斯特女王大学学者詹卢卡·萨里在接受《新科学人》采访时提到。

除了Q值，可控核聚变未来想要商用，还要尽可能延长反应时间。“只有稳定地燃烧，未来才有可能建成发电站。”王志斌说。

但目前运行的托卡马克装置，聚变反应时间仅能以秒为单位计算。2022年2月，世界上运行中的最大托卡马克装置JET，在实验中做到连续5秒总共产生49兆焦耳的核聚变，刷新自己在1997年创下的纪录。去年年底，中国自主设计的东方超环EAST，实现等离子运行达1056秒，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

王志斌强调，目前可控核聚变可以实现Q大于1，只是验证了科学的可行性。未来需要先建聚变示范电站，验证工程上可行。但这类电站投入建造成本高，发电价格远高于煤电或光伏发电，难以商用。最终，可控核聚变的发电成本至少要降到与现有能源价格相近，市场竞争力才会显现出来。“可控核聚变的确有可能是人类的未来能源，但从行业层面想要实现，挑战很大，但也可能100年后用的都是这样的能源。”

在中国，科学家们自1950年代开启聚变研究，1980年代中国第一个托卡马克装置建成。进入21世纪，由安徽合肥中国科学院等离子体物理研究所设计的EAST，成为世界首个全超导托卡马克装置。此外，还有中国环流器二号A（HL-2A）、中国环流器二号M装置等托卡马克装置，由中核集团核工业西南物理研究院建设，在成都投入实验。

王志斌告诉记者，中国的可控核聚变发展，过去是跟跑，如今已和欧美并跑。一个关键节点是，2007年，中国加入国际热核聚变实验堆（ITER）计划。中国与欧盟、印度、日本、美国等，计划在法国共同建设一个世界上最大的超导托卡马克实验反应堆。其中，中国承担项目工程建设阶段18个采购包，即设备零件的制造。項目在2010年开建，计划2025年建成。

中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆曾提到，“加入ITER前，国际主流聚变会议上，几乎没有我们的声音。如今，越来越多中国学者获邀在大会作主题报告、口头报告，甚至担任会议主席”。

业内普遍认为，在ITER成功运作后，国际核聚变研究将往前一大步。但如今，“人造太阳”离应用还有多远？或许可借用国际上流行10多年的一个玩笑来回答，“核聚变发电仅需20年，而且永远如此”。

◎ 来源|中国新闻周刊