文丨潘俊田
編輯丨程曼祺
當(dāng)?shù)貢r(shí)間 12 月 13 日， 美國(guó)能源部和美國(guó)核安全局宣布，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF）于 12 月 5 日首次實(shí)現(xiàn)了可控核聚變的能量增益，即輸出能量與輸入能量之比（Q 值）大于 1。
這是近年來(lái)可控核聚變的進(jìn)展最出圈的一次，影響力超越科學(xué)界。人們興奮、激動(dòng)，是因?yàn)榭煽睾司圩冏顬槿耸熘膽?yīng)用方向是取之不竭的清潔能源，它意味著不再為過(guò)冬暖氣不足或生產(chǎn)限電擔(dān)憂，不再為核裂變發(fā)電的輻射泄露惶恐，意味著圍繞能源的紛爭(zhēng)會(huì)減少或變換形式，甚至意味著化學(xué)能源無(wú)法滿足的長(zhǎng)時(shí)間星際旅行有了可能。
在勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的官網(wǎng)報(bào)道中，美國(guó)能源部官員、多位政府人士也將這一進(jìn)展與清潔能源聯(lián)系。美國(guó)能源部評(píng)價(jià)這一進(jìn)展 “將幫助解決人類(lèi)最復(fù)雜和最緊迫的問(wèn)題，如提供清潔能源以應(yīng)對(duì)氣候變化，以及在不進(jìn)行核試驗(yàn)的情況下保持核威懾”。
但與清潔能源的關(guān)系，正是此次進(jìn)展容易引起誤解之處。
首先在程度上，此次實(shí)驗(yàn)中，Q 值大于 1 的內(nèi)涵和一般發(fā)電場(chǎng)景下的 “輸出大于輸入” 還有很大差別。
更重要的是在方向上，此次取得進(jìn)展的技術(shù)路線，最主要的應(yīng)用方向并非清潔能源，而是美國(guó)能源部提到的另一關(guān)鍵詞，“清潔核威懾”。
引發(fā)核聚變的激光能是 2.05 兆焦耳
但啟動(dòng)激光器消耗了 322 兆焦耳能量
12 月 5 日發(fā)生在 NIF 的具體過(guò)程是：192 臺(tái)高能激光器先將激光打入一個(gè)直徑 10 米的球形靶室，再照射到靶室中心一個(gè)約兩克拉鉆石大小的圓柱體黑腔內(nèi)，最后照射到黑腔內(nèi)直徑 2 毫米的靶丸上，靶丸里是核聚變?nèi)剂想碗啊Ｕ麄€(gè)過(guò)程中，激光打到黑腔上的能量是 2.05 兆焦耳（MJ），產(chǎn)生了 3.15 兆焦耳的聚變能，以此計(jì)算，Q 值達(dá)到了 1.53。
NIF 的工作示意圖：激光照射到黑腔再照射到靶丸，瞬間引發(fā)核聚變反應(yīng)，整個(gè)過(guò)程只有 20 個(gè)十億分之一秒。
但為了啟動(dòng)這 192 臺(tái)高能激光器，整個(gè) NIF 需要消耗百倍于 2.05 兆焦耳的能量。據(jù)《自然》雜志官網(wǎng)報(bào)道，這次實(shí)驗(yàn)共消耗了 322 兆焦耳，即 92 千瓦時(shí)的電能。
這相當(dāng)于給一輛 100 度（即 100 千瓦時(shí)）的特斯拉 Model S Plaid 充滿電，但最終釋放的能量，僅能供這臺(tái)車(chē)跑出約 6 公里，只有標(biāo)定續(xù)航的百分之一。這還沒(méi)有考慮到，核聚變釋放的聚變能要轉(zhuǎn)化為能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的電能，還得經(jīng)歷一次能量損耗。
其實(shí)早在 2013 年 9 月，NIF 就曾取得一次相似的重要進(jìn)展，當(dāng)時(shí)他們也實(shí)現(xiàn)了一定程度上的能量增益。在那次實(shí)驗(yàn)中，黑腔中心的靶丸吸收了 11 千焦能量，釋放了 14.4 千焦聚變能。
在剛剛發(fā)生的進(jìn)展中，NIF 完成了一個(gè)更難的突破。計(jì)算輸入能量時(shí)，看的不再是靶丸吸收的能量，而是激光照射到黑腔上的能量，這些能量中最終只有 10%-20% 會(huì)被靶丸吸收。
NIF 對(duì)黑腔內(nèi)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的介紹。Laser Energy Into the Hohlraum 是激光照射到黑腔上的能量，是此次最新進(jìn)展中的輸入能量，Capsule compression 是最終靶丸吸收的能量。
這說(shuō)明近 10 年來(lái)，NIF 用激光產(chǎn)生聚變能的效率提高了約 6-12 倍，取得了重大進(jìn)展。
另一方面也顯示，是否取得能量增益，有一定定義空間。按照 Q 值是聚變過(guò)程釋放的能量與聚變?nèi)剂衔盏哪芰恐鹊亩x，NIF 可以說(shuō)在 2013 年已實(shí)現(xiàn)了某種程度上的能量增益，只是他們當(dāng)時(shí)沒(méi)有大張旗鼓地宣傳。
當(dāng)然，無(wú)論是 2013 年的進(jìn)展，還是剛剛發(fā)生的進(jìn)展，都離清潔能源相當(dāng)遙遠(yuǎn)。對(duì)清潔能源的實(shí)際應(yīng)用最有意義的輸出 / 輸入能量比，是整個(gè)過(guò)程輸出的電能與輸入的總能量的比值，即在電能到電能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)增益，而不是目前計(jì)算的 Q 值。人類(lèi)離實(shí)現(xiàn)這一步突破仍有重重工程、技術(shù)挑戰(zhàn)。
慣性約束核聚變更主要的應(yīng)用方向是軍事
而非能源
核聚變的原理在 100 多年前就被提出，即兩個(gè)輕原子碰撞后合成一個(gè)重原子，這一過(guò)程會(huì)釋放出巨大能量。目前主流的聚變過(guò)程是讓氫的同位素氘和氚，在高溫高壓狀態(tài)下克服原子核間的互斥，形成更重的氦原子和中子。
1952 年，人類(lèi)實(shí)現(xiàn)了不受控的核聚變，即氫彈， 其爆炸威力是原子彈的 450 倍。當(dāng)時(shí)的氫彈需要用原子彈引爆。
要實(shí)現(xiàn)可控的核聚變，難點(diǎn)是在引發(fā)核聚變所需的極端高溫高壓環(huán)境下，原子會(huì)變成等離子體，等離子體極難被控制，因?yàn)樵冗\(yùn)動(dòng)很慢的原子會(huì)快速地四散逃逸。
根據(jù)控制等離子體的不同方法，可控核聚變發(fā)展出了兩種主流路線，一是慣性約束核聚變，二是磁約束核聚變。
等離子體從相對(duì)慢的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要時(shí)間，慣性約束的思路就是在這個(gè)極小的時(shí)間窗口內(nèi)向聚變?nèi)剂献⑷氪罅磕芰?，使之依靠慣性相互撞擊產(chǎn)生核聚變。
NIF 的進(jìn)展屬于慣性約束核聚變路線。它更適合軍事用途，而非清潔能源。
激光和等離子體專(zhuān)家、西安交通大學(xué)教授趙永濤告訴《晚點(diǎn) LatePost》用原子彈引爆氫彈，其實(shí)就是一種慣性約束核聚變，但它的威力過(guò)大、不可控，一次爆炸能會(huì)釋放幾十、上百 PJ 的能量（1 PJ 等于 10 的 12 次方焦耳），且會(huì)產(chǎn)生輻射污染。
1960 年代初期，前蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫和中國(guó)的王淦昌院士分別獨(dú)立提出了用激光實(shí)現(xiàn)慣性約束核聚變的理論。
同期，美國(guó)科學(xué)家約翰·霍普金·納科爾斯（John Hopkin Nuckolls ）主持建設(shè)了勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的激光裝置（ NIF 前身）。
如今 NIF 的點(diǎn)火過(guò)程，實(shí)際是一個(gè)由激光器引爆超小型氫彈的過(guò)程。它可以在幾乎沒(méi)有輻射污染的情況下，研究、記錄氫彈數(shù)據(jù)。1992 年，蘇聯(lián)解體后的第二年，走出冷戰(zhàn)威脅的美國(guó)停止了地下核試驗(yàn)，這符合當(dāng)時(shí)美國(guó)的國(guó)內(nèi)國(guó)際輿論，也符合多國(guó)簽訂已久的《不擴(kuò)散核武器條約》。
這也是為什么美國(guó)政府評(píng)價(jià)此次進(jìn)展時(shí)，除了提到清潔能源，還提到它可以幫美國(guó)保持 “清潔核威懾”。NIF 的官方介紹中，其重要目的之一也是 “保持核威懾”，NIF 同時(shí)是美國(guó)” 核武器儲(chǔ)備管理計(jì)劃” 的核心部分。
中國(guó)工程院院士杜祥琬接受鳳凰科技采訪時(shí)稱(chēng)，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，不是給人類(lèi)提供能源解決思路，而是核武器研究。
除可控核聚變外，高能激光本身還有更多重要應(yīng)用。
高能物理學(xué)專(zhuān)家、中山大學(xué)教授黃永盛對(duì)《晚點(diǎn) LatePost》總結(jié)：高能激光可用作激光武器，比如裝載在衛(wèi)星上，干擾乃至摧毀敵方衛(wèi)星。它還可以模擬極端宇宙環(huán)境，如物質(zhì)密度極大的中子星和黑洞邊緣，這能幫科學(xué)家探索一些物理現(xiàn)象。
2004 年以來(lái)，高能激光的一個(gè)新應(yīng)用熱點(diǎn)是縮小超大型粒子對(duì)撞機(jī)，以更低成本探索粒子結(jié)構(gòu)。目前全球最大的粒子對(duì)撞機(jī)是歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），它是一個(gè)直徑約 9 公里的圓形管道，圍起來(lái)的面積超 1000 公頃，可以放 450 個(gè)鳥(niǎo)巢。建設(shè) LHC 花費(fèi)了約 47.5 億美元、14 年。黃永盛介紹，如果用高能激光，可將強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)從公里級(jí)縮小至米級(jí)，大幅減少建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的成本和時(shí)間。高功率激光和傳統(tǒng)加速器結(jié)合還可以產(chǎn)生高亮度光源，可被用來(lái)觀察材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷和裂痕，還可用于器官細(xì)胞級(jí)成像。
當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的瓶頸之一就是大型實(shí)驗(yàn)裝置所需的經(jīng)費(fèi)太多、實(shí)驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)。圍繞中國(guó)是否要投資 400 億元建設(shè)強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，科學(xué)界曾有激烈爭(zhēng)論。高能激光可能是解決這些紛爭(zhēng)的技術(shù)手段之一。
LHC 是一個(gè)超級(jí)大環(huán)，圍起來(lái)的面積超過(guò) 1000 公頃。
在中國(guó)，王淦昌院士獨(dú)立提出激光核聚變理論后，找到中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所（上海光機(jī)所）鄧錫銘院士，開(kāi)始研發(fā)用于核聚變實(shí)驗(yàn)的激光裝置。后在范滇元院士的主持下，上海光機(jī)所激光裝置自 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始逐步發(fā)展成神光系列激光核聚變裝置，其激光效率位居世界前列，暫未實(shí)現(xiàn)可控核聚變的能量增益。
更有潛力實(shí)現(xiàn)清潔能源的是磁約束核聚變
新進(jìn)展給整個(gè)可控核聚變帶來(lái)信心與關(guān)注
慣性約束核聚變之外，更有潛力應(yīng)用于清潔能源的是另一可控核聚變主要路線，磁約束核聚變。
磁約束理論，是用磁場(chǎng)控制等離子體。這一思路下，誕生了仿星器、Z 箍縮、磁鏡等許多裝置，目前最主流的裝置是 1954 年由前蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫原子能研究所提出的托卡馬克。它依靠電流和環(huán)形線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，將原子約束在形如 “甜甜圈” 的容器中。
歐洲聯(lián)合杯（JET）托卡馬克裝置 圖源：EUROfusion
磁約束之所以更適于發(fā)電，主要因?yàn)榇偶s束核聚變是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，且托卡馬克裝置要比激光點(diǎn)火裝置更好維護(hù)。
慣性約束核聚變，每發(fā)射一次激光，瞬間產(chǎn)生能量。中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所研究員、高功率激光物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任朱健強(qiáng)在接受采訪時(shí)稱(chēng)，如果想用慣性約束核聚變建電站，至少需要一秒鐘打 10 次激光，且每次輸出的能量增益要達(dá)到現(xiàn)在的百倍以上。現(xiàn)在 NIF 只能一天打幾次激光，遠(yuǎn)不夠發(fā)電。
激光裝置也較維持。在最終打靶前，需要用上千片鏡子反射激光以增強(qiáng)能量。現(xiàn)有技術(shù)條件下，大能量激光可能擊碎反光鏡，整個(gè)系統(tǒng)重復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的難度非常高。
而磁約束核聚變中，當(dāng) Q 值越過(guò)一個(gè)上限后，就可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)托卡馬克中有足夠多的核聚變反應(yīng)發(fā)生后，就會(huì)產(chǎn)生大量熱量加熱那些尚未進(jìn)行反應(yīng)的物質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)持續(xù)反應(yīng)。它更匹配需要持續(xù)輸出的發(fā)電場(chǎng)景。
磁約束核聚變的整體能量轉(zhuǎn)化效率也更高。這一方法下，核聚變?nèi)剂现苯游盏哪芰渴羌訜峁β剩瑥碾娔艿郊訜峁β实膿p耗在 40%-50%；而慣性約束核聚變方法中，電能現(xiàn)在轉(zhuǎn)化成激光能時(shí)會(huì)損耗 99%。
要以磁約束核聚變技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，關(guān)鍵要看兩個(gè)維度的進(jìn)展：一是運(yùn)行時(shí)間，二是 Q 值，兩個(gè)因素互相增益。
增加運(yùn)行時(shí)間的難度是，加熱后的等離子體并不總是按照設(shè)想的那樣運(yùn)動(dòng)，總有許多等離子體會(huì)在反應(yīng)過(guò)程中失去熱量，現(xiàn)有的裝置很難維持超過(guò) 100 秒的運(yùn)行時(shí)間。
增大 Q 值的難度是，想要增加 Q 值，需要更強(qiáng)的磁場(chǎng)或者更大的裝置。裝置的造價(jià)和裝置的體積正相關(guān)，建設(shè)更大裝置需要克服更多工程問(wèn)題，且成本高、周期長(zhǎng)。
在磁約束核聚變路線中，對(duì) Q 值中能量輸入值的定義一般是核聚變?nèi)剂汐@得的加熱功率，能量輸出是核聚變?nèi)剂袭a(chǎn)生的聚變功率。
日本的托卡馬克裝置 JT-60U 曾于 1997 年宣布實(shí)現(xiàn)了 Q 值大于 1 ，但這是根據(jù)公式推演出的結(jié)果，且后來(lái)沒(méi)有再?gòu)?fù)現(xiàn)。
目前托卡馬克裝置的最高 Q 值記錄是 0.67，由歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）于 1997 年實(shí)現(xiàn)。這意味著輸入 1 焦耳的能量，只有大約三分之二的能量被輸出。
持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的紀(jì)錄則由中國(guó)的托卡馬克裝置 “東方超環(huán)”（EAST）保持。2021 年時(shí)它持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了 101 秒。
目前正在建設(shè)的最大托卡馬克裝置是國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），它計(jì)劃最早于 2035 年投入運(yùn)營(yíng)，預(yù)計(jì) Q 值能達(dá)到 10，維持時(shí)間能達(dá)到 500 秒。
磁約束路線下的新趨勢(shì)是，科學(xué)家正嘗試以新的高溫超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的磁場(chǎng)，這可以縮小托卡馬克的尺寸，減少建設(shè)成本和周期。這也掀起了一股創(chuàng)投潮。自去年起，大量社會(huì)資本投入核聚變，一批新老公司獲得融資，支持者包括比爾·蓋茨、貝索斯、索羅斯等。
這一次 NIF 取得的新進(jìn)展中，人類(lèi)首次實(shí)現(xiàn) Q 值大于 1 是最吸引關(guān)注、使人激動(dòng)的部分。
不過(guò)如果把慣性約束核聚變用于清潔核威懾和核武器上，Q 值是否大于 1 不是那么重要，更重要的是能否以更小成本實(shí)現(xiàn)更大破壞，然后是整個(gè)過(guò)程的穩(wěn)定和可重復(fù)。
只有在能源和發(fā)電場(chǎng)景下，算 Q 值的賬才有意義，它指示能否產(chǎn)生能量增益。在更有潛力實(shí)現(xiàn)清潔能源的磁約束核聚變方向上，人類(lèi)還沒(méi)有越過(guò) Q 值大于 1 的臨界點(diǎn)。
即使如此，NIF 取得的進(jìn)展以及由此引起的巨大關(guān)注仍有大價(jià)值。它給核聚變研究注入了一針強(qiáng)心劑。
激光和等離子體專(zhuān)家、西安交通大學(xué)教授趙永濤告訴《晚點(diǎn) LatePost》，NIF 的新進(jìn)展驗(yàn)證了可控慣性約束核聚變的科學(xué)可行性，是巨大進(jìn)步。未來(lái)如要把激光驅(qū)動(dòng)核聚變作為能源，有兩個(gè)主要突破路徑，一是通過(guò)新的束靶設(shè)計(jì)等繼續(xù)提高核聚變?cè)鲆妫瑢F(xiàn)在 1.5 倍的增益提高到幾十、上百倍，激光核聚變就有工程應(yīng)用前景；二是提高激光驅(qū)動(dòng)源的能量轉(zhuǎn)化效率，目前電能到激光能的轉(zhuǎn)化效率只有約 1% ，將來(lái)可以使用其他更高效率的激光源，如高功率重離子加速器等。他提到，把慣性約束核聚變用于能源，從科學(xué)上可行到工程上可行間仍有很大鴻溝。
有人評(píng)價(jià) NIF 此次大張旗鼓地宣傳是 “賺經(jīng)費(fèi)” 之舉。經(jīng)費(fèi)本身是艱難的重大科學(xué)研究不可缺少的燃料。相伴而來(lái)的關(guān)注和眼球，則是一次更深遠(yuǎn)的科普活動(dòng)，未來(lái)的科學(xué)家可能就在被吸引的人群中。
沒(méi)有持續(xù)的資源投入，沒(méi)有一代代優(yōu)秀人才的期望和努力，科學(xué)技術(shù)不會(huì)自己進(jìn)步，甚至?xí)雇?。人?lèi) 50 年前可以登上月球，現(xiàn)在要重返卻困難重重，很多技術(shù)、工程問(wèn)題得再解決一遍。
科學(xué)界一直有一個(gè)玩笑：人類(lèi)實(shí)現(xiàn)可控核聚變 “永遠(yuǎn)還有 50 年”。50 年的距離可能未被縮短，但一些人的努力，讓我們離去掉 “永遠(yuǎn)還有” 更近了一點(diǎn)。
題圖：NIF 靶室內(nèi)部，來(lái)源：勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。
