美國能源部2022年12月13日宣布，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）首次實現(xiàn)了所謂的“能量凈增益”，即核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過輸入的能量。美國媒體對此給予高度稱贊，將其形容為“幫助人類在實現(xiàn)零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步”。

清潔能源的“圣杯”？

? 根據(jù)美國能源部和國家核安全局發(fā)布的聯(lián)合聲明，NIF一直在嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產(chǎn)生的高溫高壓實現(xiàn)核聚變。12月5日，該研究團隊將2.05兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，產(chǎn)生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，達(dá)到了“點火”標(biāo)準(zhǔn)。

? 美國有線電視新聞網(wǎng)（CNN）稱，盡管單從數(shù)據(jù)上看，這次實驗產(chǎn)生的能量“只夠燒開10壺水”，但它的意義非常重大。根據(jù)核聚變反應(yīng)的準(zhǔn)則，當(dāng)核聚變的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率，并且有足夠的能量被系統(tǒng)捕獲和利用，就可以被稱為“點火成功”。但在過去幾十年中，這一直是科學(xué)家們未能實現(xiàn)的夢想。NIF從2010年開始正式的點火實驗，用了10多年時間才夢想成真。

? 中國工程院院士杜祥琬解釋說，美國此次公布的“激光可控核聚變點火實驗”可以通俗地理解為，NIF設(shè)置了一個“小靶子”，“靶子”中有熱核材料，然后利用高能激光照射“小靶子”，點燃里面的熱核材料產(chǎn)生核聚變，最后輸出的能量就是核聚變能。這次實驗實現(xiàn)了“產(chǎn)生的核聚變能大于輸入的激光能”，這是一個重大的進(jìn)步，具有科學(xué)意義，但是離實現(xiàn)高增益還有距離。

? 杜祥琬還指出，該實驗的定位也不是商用的能源裝置，美國此次開展的激光能可控核聚變，根本目的是研究核武器相關(guān)的物理問題。

? 據(jù)介紹，美國國家點火裝置由美國能源部下屬管理核武器的國家核安全局負(fù)責(zé)運行，它的主要任務(wù)是實現(xiàn)能產(chǎn)生高能量的聚變反應(yīng)，并為美國核武器儲備的維護提供指導(dǎo)。這可以幫助美國繞過因《全面禁止核試驗條約》而停止的地下核試驗，轉(zhuǎn)而以較小的規(guī)模進(jìn)行核反應(yīng)實驗，并從中收集數(shù)據(jù)。LLNL的武器物理和設(shè)計項目主任馬克·赫爾曼表示，該實驗本身就創(chuàng)造了非常極端的環(huán)境，更加接近于核武器爆炸。

現(xiàn)在有兩條技術(shù)路徑

? 據(jù)國際原子能機構(gòu)的定義，核聚變反應(yīng)是較輕的原子核結(jié)合成較重的原子核，這一過程會釋放出巨大能量。盡管人類早就通過氫彈驗證了核聚變蘊含的巨大能量，但在可控核聚變方面卻始終進(jìn)展緩慢，這是因為核聚變需要極高的溫度和壓力條件才能進(jìn)行。

? 杜祥琬介紹說，為實現(xiàn)核聚變的條件，當(dāng)前可控核聚變主要分為兩條技術(shù)路徑。其中之一是高功率激光作為驅(qū)動器的慣性約束核聚變，代表就是美國國家點火裝置。它是世界上最大的激光裝置，造價高達(dá)35億美元，可以動用近200臺激光器產(chǎn)生的高能激光集中轟擊一個微小的核聚變材料靶標(biāo)，以啟動核聚變反應(yīng)。杜祥琬透露，中國也有類似的高能激光裝置。公開材料顯示，中科院與中物院聯(lián)合研制的“神光II”型高能量聚變激光器已于2000年建成投入運行。

? 而另一條技術(shù)路徑是磁約束聚變，即用磁場約束超高溫和高壓的聚變物質(zhì)。這個路線的主攻方向是托卡馬克裝置。杜祥琬表示，其典型代表是位于法國南部的“國際熱核聚變實驗堆（ITER）”，中國是這項計劃的重要參與國。此外，中國還在合肥、成都建造有自己的托卡馬克裝置，它們承擔(dān)的就是開展獲取可控核聚變能源的實驗。杜祥琬表示，對于可控核聚變的兩種不同技術(shù)路線，學(xué)界的主流認(rèn)識認(rèn)為，托卡馬克裝置離實現(xiàn)商用級可控核聚變更有希望。

距離實用化還有多遠(yuǎn)

? 美國能源部部長格蘭霍姆表示，核聚變的商業(yè)化或許可能會在未來的“幾個十年”內(nèi)實現(xiàn)，大概率不會是之前預(yù)計的“五六十年”，但科學(xué)界普遍對于可控核聚變的商業(yè)化前景持謹(jǐn)慎態(tài)度。英國《金融時報》稱，盡管該實驗產(chǎn)生的能量比激光器輸入的能量高，但光是激光器運行就需要約300兆焦的能量，就整個系統(tǒng)而言，產(chǎn)生的能量仍微不足道。此外，從聚變熱能轉(zhuǎn)化為電力的過程中還會有能量損失，“因此可以說，國家點火裝置的實驗結(jié)果是一項科學(xué)上的成功，但離提供可用的、充足的清潔能源還有很長一段路要走”。美國《華盛頓郵報》稱，如果要制造足夠大的設(shè)備大規(guī)模產(chǎn)生核聚變能量，將需要極其難以生產(chǎn)的材料；同時，反應(yīng)產(chǎn)生的中子會給設(shè)備帶來巨大壓力，令其在反應(yīng)過程中被摧毀。

? 杜祥琬表示，人類離實現(xiàn)可控核聚變的實用化，也就是造出所謂的“人造太陽”，現(xiàn)在還有距離，但要強調(diào)的是，人類離實現(xiàn)這一愿景并沒有原理性的障礙，我們已經(jīng)看到全人類為實現(xiàn)這一目標(biāo)取得了許多技術(shù)進(jìn)步和突破?！爸劣谶€要多久才能實現(xiàn)這一目標(biāo)，有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為還需要二三十年，我認(rèn)為可能需要的時間更長一點，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以鴮ξ艺f過一句話，核聚變能發(fā)電，點燃的第一盞燈會在中國亮起，對此我很贊賞，相信本世紀(jì)我們一定可以實現(xiàn)這一夢想。”

（摘自《環(huán)球時報》樊巍、陳山）