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，會產生什么結果？

當地時間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”，未來將激發更多發現，為美國國防和清潔能源的發展鋪平道路。

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“點火”，但未能如期達成。NIF在此后多年備受爭議，業內一度悲觀認為，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生能量的過程。太陽之所以發光發熱，便是依靠內部不斷產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。核聚變也不會產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，經過聚變反應產生的能量，相當于地球上所有石油儲備產生的總能量”，如果能開發，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境。實現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，發生聚變反應。但一旦到了這一溫度，所有固態材料會直接汽化。上世紀50年代，蘇聯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，可以持續燃燒一段時間，產生能量。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，是通過激光產生巨大壓強，使核燃料體積在瞬間變小，密度變大，原子核發生聚變反應。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。未來想要應用于現實，無論哪種技術路徑，都要考慮“投入產出比”。業內一般用Q值來衡量，即能量增益因子，它是指產生的能量與維持反應器中等離子穩態的輸入裝置的能量之比。聚變反應發生在被稱為等離子體的物質狀態下，當Q大于1時，意味著可控核聚變產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提供穩定的電力負荷，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。現在的Q是30：25，而不是30：100。”在他看來，未來想要真正實現經濟、可靠，核聚變的能量必須高于輸入激光器的能量。

據報道，NIF每次發射激光，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，從獲得大規模、經濟的能源角度看，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。

《科學》雜志12月13日直言，NIF 從未計劃用于商業發電，主要功能是制造微型核爆炸，并提供數據，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月發表的一篇論文中提到，出于國防和戰略安全考慮，美國、中國、歐盟、英、日等國家和地區都在開展相關研究，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，甚至也可以發揮重要作用。“兩條路線都應繼續研究，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。“只有穩定地燃燒，未來才有可能建成發電站。”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5秒總共產生49兆焦耳的核聚變能量，刷新自己在1997年創下的紀錄。去年年底，中國自主設計的東方超環EAST，實現等離子運行達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，發電價格遠高于煤電或光伏發電，難以商用。最終，可控核聚變的發電成本至少要降到與現有能源價格相近，市場競爭力才會顯現出來。“可控核聚變的確有可能是人類的未來能源，但從行業層面想要實現，挑戰很大，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，中國環流器二號A（HL-2A）、中國環流器二號M裝置等托卡馬克裝置，由中核集團核工業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展，過去是跟跑，如今已和歐美并跑。一個關鍵節點是，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，“核聚變發電僅需20年，而且永遠如此”。