文︱《中國報道》見習記者 李士萌

北京時間2022年12月13日，美國能源部宣布了一項重大科學進展。其下屬的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）國家點火設施（NIF）的一個團隊首次成功在可控核聚變反應中“點火”，即在實驗中做到產(chǎn)生的能量大于輸入的能量，實現(xiàn)“凈能量增益”。

“核聚變研究自20世紀50年代初就一直在進行，這是在實驗室中首次實現(xiàn)聚變產(chǎn)生的能量超過消耗的能量?！奔~約羅切斯特大學核聚變實驗室原主任邁克爾·坎貝爾說。

安全可控的核聚變技術一直是科學界的攻堅對象，這次的實驗結(jié)果，讓人們看到了核聚變商業(yè)化的可能性。美國能源部長詹妮弗格·蘭霍姆將這一突破形容為“21世紀最令人印象深刻的科學壯舉之一”。她在發(fā)布會上表示，核聚變的商業(yè)化，可能會在未來幾十年內(nèi)實現(xiàn)，但大概率不是之前說的50—60年。到了那一天，人類可以使用幾乎無碳的電力，這對于地球的生態(tài)環(huán)境意義重大。

一次具有里程碑意義的實驗

這次成功的實驗開始于美國當?shù)貢r間2022年12月5日。研究人員將192束巨型激光射入一個橡皮擦大小的圓柱體，強烈的能量將容器加熱到超過300萬攝氏度，容器內(nèi)裝有胡椒粒大小的燃料顆粒：氘和氚。氘和氚在非常高的壓力和溫度下迅速聚在一起，引發(fā)了類似火箭的內(nèi)爆。

在持續(xù)不到十億分之一秒的微小火焰中，激光輸入了2.05兆焦耳能量，聚變的原子核釋放出3.15兆焦耳的能量，后者除以前者大于1，實現(xiàn)凈能量增益。

在此實驗之前，讓核聚變反應產(chǎn)生的能量大于產(chǎn)生它所需的能量，一直是科學界難以攻克的高峰，也是科學家們自原子時代就不停探索的課題。LLNL實驗室此前最好的成績，僅達到約70%的凈能量增益。用LLNL實驗室主任金伯利·布迪爾的話來說：“驅(qū)動科學家跨越這一阻礙的，是60年持之以恒的付出?！?/p>

盡管許多科學家認為核聚變發(fā)電站還需要幾十年的時間，但這項技術的潛力不容忽視。首先，核聚變反應不需要燃燒化石燃料，因而不排放碳。此外，核聚變也不產(chǎn)生長壽命的放射性廢物，而這正是現(xiàn)行核裂變核電站“令人頭疼”的一點。另外，從原理上看，核聚變所產(chǎn)生的能量比核裂變反應效率更高，平均每個核子放出的能量是核裂變的3—4倍，一小杯氫燃料理論上可以為一所房子提供數(shù)百年的能源。

因而，核聚變產(chǎn)生的能量被視為世界上最清潔、安全的能源之一，被比作清潔能源的“圣杯”。美國國會議員唐·拜耳說：“核聚變有可能讓世界上更多人口擺脫貧困，這比火種發(fā)明以來的任何事情都要多。”

拜登政府投入近3700億美元用于低碳能源的補貼，以努力減少排放，期冀贏得新一輪全球能源革命的勝利。大多數(shù)氣候科學家和政策制定者也表示，要實現(xiàn)全球升溫在2攝氏度以內(nèi)的目標，或者更高的1.5攝氏度的目標，全球碳排放量必須在2025年達到頂峰。

實現(xiàn)商業(yè)化仍前路漫漫

“雖然是個好消息，但這一結(jié)果距離發(fā)電所需的實際能量增益，還有很長的路要走?！庇鴦虼髮W的核能研究員托尼·勞爾斯頓在給科學媒體中心的一份聲明中表示。

該實驗結(jié)果雖然實現(xiàn)了研究人員所說的科學收支平衡或能量增益，但并未實現(xiàn)工程收支平衡：實驗最終產(chǎn)生了大約 3 兆焦耳的能量，但NIF產(chǎn)生短暫的2.05兆焦耳激光脈沖，需要從電網(wǎng)中提取300兆焦耳的能量。這意味著NIF實驗的效率需要提高100倍才能完全收回成本。

LLNL武器物理和設計項目主任馬克·赫爾曼在接受《紐約時報》采訪時也指出，可能需要增益30—100倍才能讓聚變能發(fā)電廠成為可能。

“這就像我們要花費多少能量來煮沸 10 壺水?！?倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心聯(lián)合主任杰里米·奇滕登在接受CNN采訪時表示。此次實驗中釋放的3.15兆焦耳的能量大概可以燒開10壺水，“為了把它變成一個發(fā)電站，我們需要讓它更加可持續(xù)，我們需要大幅降低成本”。

“可重復”是聚變能商業(yè)化的另一堵點。美國另一國家實驗室聚變能部門的主任米奇·韋德指出，現(xiàn)在的激光器需要幾個小時才能冷卻，這使得激光轟擊發(fā)電廠的設想（雖然聽起來非常棒）完全不可能。

他認為，未來的“慣性安全殼”反應堆需要像汽車發(fā)動機一樣工作，每秒產(chǎn)生幾次微型爆炸。根據(jù)韋德的看法，接下來聚變能商業(yè)化要做的是延長這些反應的時間，至少維持在數(shù)十秒甚至數(shù)百秒。例如，ITER（國際熱核聚變實驗反應堆）的目標是連續(xù)維持聚變反應至少400秒。

下一個可能性在哪里？

曾在華盛頓美國海軍研究實驗室擔任激光聚變項目負責人的物理學家斯蒂芬·博德納認為，現(xiàn)在最大的問題是美國能源部接下來要做什么，是加倍在NIF上進行武器研究，還是轉(zhuǎn)向聚變能研究的激光項目。

國家點火設施（NIF）計劃起初不是為了制造電力而設計；相反，它是美國核武器“庫存管理”計劃的一部分。“NIF并不是為了高效而設計的，它被設計成最大的激光器，為我們提供庫存管理計劃所需的數(shù)據(jù)。”馬克·赫爾曼指出。諸多專家認為，聚變能實驗的下一個重大進展不太可能來自 NIF。

那新的突破可能從哪里產(chǎn)生？從國家到公司，源源不斷的資金正涌向核聚變相關項目。據(jù)美國聚變工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，截至2022年年底，核聚變公司報告的私人承諾投資總額超過47億美元。同時，美國聯(lián)邦資金的支持也有所增加。拜登簽署的《通脹削減法案》為聚變項目提供了數(shù)百萬美元的新資金。白宮于2022年3月召開了首次核聚變峰會，在峰會上制定了聚變技術商業(yè)化的 10 年計劃。

斯蒂芬·博德納表示，他過去一直對核聚變持謹慎態(tài)度，但在過去幾年里，他開始相信，如果美國將重點從“武器”轉(zhuǎn)移到“能源生產(chǎn)”，聚變能商業(yè)化就有可能成功。

在這場大型的科研競賽中，美國外的其他大國也一直沒有缺席。

2020年，被稱為“世界上最大的核聚變項目”ITER（國際熱核聚變實驗反應堆）在經(jīng)歷近10年的延宕后，在法國開始組裝。該項目由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七個成員國共同參與，耗資逾220億美元，旨在探索清潔聚變能規(guī)模生產(chǎn)的可能性。

中國也在不斷探索自主可控的核聚變技術。2017年12月，中國聚變工程實驗堆（CFETR）在安徽合肥正式啟動工程設計，按計劃，預計到2035年，該項目將建成聚變工程實驗堆，并開始大規(guī)模科學實驗。