年末常有大事發(fā)生，前幾日，這一碩果降落在核聚變領(lǐng)域，即使只是不到一秒的突破也足以令學(xué)界興奮。當(dāng)?shù)貢r(shí)間13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）“國家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施”進(jìn)行了歷史上首次可控核聚變實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”，核聚變實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的能量多于用于驅(qū)動核聚變的激光能量。
據(jù)悉，利弗莫爾實(shí)驗(yàn)消耗300兆焦的激光器發(fā)射了192束激光，迅速轟擊到胡椒粒大小、由氘氚制成的燃料上，將其加熱到300萬攝氏度，在高溫、高壓的環(huán)境下破開燃料表面，讓氘氚中的氫原子融合，成功實(shí)現(xiàn)核聚變。從結(jié)果來看，該實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，維持了不到1秒，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。
美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆稱，“這是一個(gè)具有里程碑意義的成就”，未來將激發(fā)更多的發(fā)現(xiàn)，為美國國防和清潔能源的發(fā)展鋪平道路。這項(xiàng)成果預(yù)計(jì)將可能幫助人類在實(shí)現(xiàn)零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步。劍橋大學(xué)核能講師托尼·魯爾斯通對此評價(jià)到，這一結(jié)果是科學(xué)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。至此，這項(xiàng)開啟于1997年的研究在幾十億的投入后，終于邁出了跨越式的進(jìn)展，而這一步進(jìn)展將會對人類能源的未來模式產(chǎn)生怎樣的影響？科學(xué)界又是怎樣看待這一成果的呢？
“人類終極能源”的火種為什么是“人造太陽”
對于美國首次實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火一事，有人認(rèn)為這是人類獲得真正清潔、取之不盡能源的一大突破口。在能源結(jié)構(gòu)改革以前，人們利用的煤、石油、天然氣不僅造成了環(huán)境污染，未來也有枯竭的危險(xiǎn)，目前已經(jīng)開拓使用的清潔能源中，風(fēng)能、水能、太陽能等受限于天氣或地理?xiàng)l件限制，尚且難以滿足需要。當(dāng)前的核電站采用的是核裂變反應(yīng)，其需要的鈾、钚等元素儲量有限，還會產(chǎn)生放射性，歷史上已有多例核電站核泄漏問題仍未解決。放射性對自然的影響不可小覷，從今年發(fā)現(xiàn)的切爾諾貝利黑色青蛙就可見一斑。
切爾諾貝利核泄漏廢棄城市
核聚變是核能的一種形式，指的是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)重原子核并產(chǎn)生能量的過程，其原理來自于太陽——太陽發(fā)光發(fā)熱依靠也是內(nèi)部不斷發(fā)生核聚變提供動力。目前我們所熟知的原子彈、核電站采用的則是核裂變原理，即一個(gè)原子核分裂成兩個(gè)輕原子核產(chǎn)生的能量。
與核裂變不同的是，核聚變不會產(chǎn)生高放射性的核廢料，輻射極少，且核聚變?nèi)剂县S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(chǎn)，因此是目前研究階段最理想的清潔能源。如中國科學(xué)院院士、中科院物理所研究員張杰所說：“1立方公里海水所含的氘，經(jīng)過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于地球上所有石油儲備產(chǎn)生的總能量”。
本次試驗(yàn)涉及到的激光核聚變是實(shí)現(xiàn)人造太陽的兩大路徑之一，另一路徑是磁約束核聚變。磁約束核聚變的具體應(yīng)用為托卡馬克裝置，通電后托卡馬克內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將懸浮其中的等離子體加熱到一個(gè)較高溫度，最終引發(fā)核聚變。可控核聚變被認(rèn)為是“人類的終極能源”，但經(jīng)歷70多年的研究，該領(lǐng)域仍處在實(shí)驗(yàn)階段。
中國工程院院士杜祥琬表示，對于這兩種技術(shù)路線，學(xué)界主流認(rèn)識認(rèn)為，托卡馬克裝置的磁約束核聚變實(shí)現(xiàn)商用化更有希望，是真正走向聚變能的技術(shù)途徑。
如果真的能夠完成“人造太陽”，將會為人類帶來哪些改變？中科院等離子體物理研究所王騰對此解釋到，改變可能主要在以下幾方面：首先，能源危機(jī)迎刃而解，能源價(jià)格將非常低廉；其次，一些因能耗限制而難以開展的活動，包括海水淡化、星際航天等將可以大規(guī)模開展；最后，核聚變的產(chǎn)物為氦和中子，不排放有害氣體，地球上的溫室效應(yīng)、酸雨、霧霾將大幅減輕乃至消失，生態(tài)環(huán)境將得到改善。
回到本次試驗(yàn)，其中實(shí)現(xiàn)的“點(diǎn)火”，指的是核聚變產(chǎn)生的能量超過激光束打入的能量，是可控核聚變走入現(xiàn)實(shí)必要的指標(biāo)之一?！爸挥羞@種情況下，這一裝置才有望提供能源，而不只是一個(gè)耗電器。”中山大學(xué)中法核工程與技術(shù)學(xué)院副教授王志斌向《中國新聞周刊》解釋說，LLNL這次的實(shí)驗(yàn)從科學(xué)層面證明了，慣性約束聚變可以實(shí)現(xiàn)凈能量增益。
但也并不是所有人都對這項(xiàng)成果感冒，不少人也提出了質(zhì)疑——知乎一位答主表示，此次公布的凈能量增益，是指聚變產(chǎn)生的中子的能量除以輸入的激光的能量之比，而并非輸出電能到輸入電能之比，其中存在能量增益的夸大，兩者能量增益差125倍之多。如果從電能開始算起，而不是從激光能量開始算起，那么NIF實(shí)現(xiàn)的能量增益也就0.008而已，并非大于1。他還強(qiáng)調(diào)，NIF作為慣性約束聚變的實(shí)驗(yàn)裝置，很難再把成績提高。
另一位知乎答主認(rèn)為，按照NIF激光器的實(shí)際效率，和熱機(jī)將聚變放出的熱，轉(zhuǎn)換為有用功的效率，不計(jì)其他問題，這裝置現(xiàn)在的狀態(tài)不可能對外凈輸電，裝置內(nèi)部充電本身也有損耗，實(shí)際能耗更大。所以他認(rèn)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)成果存在夸大，進(jìn)展并不如媒體報(bào)道的那樣高。
真正的未來技術(shù)，躲不開群雄逐鹿
在清潔能源的終極技術(shù)核聚變領(lǐng)域，各國無論從能源還是國防的角度出發(fā)，都始終未放棄該領(lǐng)域的探索。以美國來說，據(jù)美能源部介紹，本次試驗(yàn)的主體設(shè)施——“國家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施”（NIF）是全球最大、能量最高的激光系統(tǒng)，其使用超強(qiáng)激光束來產(chǎn)生與恒星和巨型行星核心以及核武器內(nèi)部相當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ΑＣ绹鴩液税踩芾砭指本珠L馬文·亞當(dāng)斯表示，激光束將大量熱量集中在一個(gè)微型球形膠囊上，結(jié)果是一個(gè)過熱的等離子體環(huán)境，其中反應(yīng)產(chǎn)生的能量比用于產(chǎn)生它的激光中所包含的能量多，約為1.5倍。
國家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施（圖源：Lawrence Livermore National Laboratory YouTube）
這個(gè)設(shè)施建成于2009年，美國國家核安全管理局在加州的LLNL建成了這個(gè)國家點(diǎn)火裝置，在高10層、約有3個(gè)足球場大的建筑物中開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。值得一提的是，NIF原定目標(biāo)是在2012年完成“點(diǎn)火”，但這一目標(biāo)未能如期達(dá)成。由此，NIF多年來備受爭議，業(yè)內(nèi)一度認(rèn)為它可能永遠(yuǎn)無法成功“點(diǎn)火”。
此前美國國家點(diǎn)火設(shè)施進(jìn)行的多次核聚變試驗(yàn)中，取得的最好成績是產(chǎn)出與投入能量比70%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，從樂觀的角度來看，本次LLNL核聚變反應(yīng)釋放了大約3.15MJ的能量，比進(jìn)入反應(yīng)的能量多大約54%，是之前1.3MJ記錄的兩倍多。盡管如此，NIF在試驗(yàn)過程中消耗了322MJ的能量，是本次核聚變反應(yīng)釋放能量的102倍。
目前，全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），采用的是上文提及的托卡馬克裝置。ITER是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項(xiàng)目。2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目啟動協(xié)定。在今年11月，中國負(fù)責(zé)的其中一個(gè)關(guān)鍵組成部分，增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁首件制造完工。
ITER項(xiàng)目主建筑（圖源：ITER官網(wǎng)）
據(jù)悉，中國核能發(fā)展實(shí)施的是“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略，在磁約束和慣性約束聚變上均有研究。目前，中國磁約束核聚變技術(shù)的研究上已處于世界前列。
2021年12月我國合肥東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了1056秒長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，是之前保持記錄的2倍還多；今年10月，中國新一代“人造太陽”HL-2M等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造了中國可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄，標(biāo)志著中國核聚變研發(fā)距離聚變點(diǎn)火邁進(jìn)了重要一步。
一場核聚變的“明修棧道，暗度陳倉”？
在為技術(shù)突破興奮之外，我們不得不對核領(lǐng)域保持清醒的警惕。對于該實(shí)驗(yàn)真正的用意，我國科學(xué)家給出了更謹(jǐn)慎的解答。中國工程院院士杜祥琬在接受鳳凰網(wǎng)采訪時(shí)表示，美國國家點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)的凈能量增益是科研上的進(jìn)展，但離產(chǎn)生上百倍的高增益目標(biāo)還差得很遠(yuǎn)，更不說提變成真正清潔、無限能量的“人造太陽”。LLNL的核聚變增益屬于聚變物理范疇，不太可能為人類能源問題提供解決思路。人們真正用于能源的核聚變，是一種非爆炸性的可控的核聚變。
更為鮮明的是，杜祥琬院士認(rèn)為，美國國家點(diǎn)火裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，不是給人類提供能源解決思路，而是核武器研究。這就不得不提到美國國家點(diǎn)火裝置的建設(shè)背景，該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(yùn)行，其主要任務(wù)是實(shí)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(hù)提供指導(dǎo)。
武漢大學(xué)水利水電學(xué)院副教授徐明毅也曾在今年8月發(fā)表的一篇論文中提到，出于國防和戰(zhàn)略安全考慮，美國、中國、歐盟、英、日等國家和地區(qū)都在開展相關(guān)研究，這其中包括美國的NIF、中國在運(yùn)行的最大激光聚變驅(qū)動器神光III等。
但無論是哪條技術(shù)路線，核聚變商業(yè)化廣泛應(yīng)用，將”人造太陽“變成現(xiàn)實(shí)都預(yù)計(jì)仍需要很長時(shí)間。LLNL主任基姆·布迪勒也不得不承認(rèn)，實(shí)現(xiàn)核聚變商業(yè)化可能需要數(shù)十年，核聚變技術(shù)還需克服諸多障礙，包括實(shí)現(xiàn)每分鐘完成多次聚變點(diǎn)火，并擁有穩(wěn)健的驅(qū)動程序系統(tǒng)等。在發(fā)布會當(dāng)天，布迪勒也明確表示：“我們的計(jì)算表明，激光系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆焦耳的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的目標(biāo)是有途徑的，但我們現(xiàn)在離實(shí)現(xiàn)那個(gè)目標(biāo)還很遠(yuǎn)?！?/p>
寫在最后
盡管眾說紛紜，但本次“點(diǎn)火”終究是國際核聚變研究的一大進(jìn)步。但與其考慮維持僅不到1秒的技術(shù)何時(shí)實(shí)現(xiàn)商業(yè)突破為時(shí)尚早，在技術(shù)上如何降低成本創(chuàng)造高密度高溫條件，讓反應(yīng)維持足夠長的時(shí)間是最顯而易見的難關(guān)?！叭嗽焯枴彪x應(yīng)用還有多遠(yuǎn)，仍是未知數(shù)，或許還需借用那句廣為流傳的調(diào)侃：“核聚變發(fā)電僅需20年，而且永遠(yuǎn)如此”。科學(xué)家們頂著這句調(diào)侃奮戰(zhàn)多年，也是因?yàn)閳?jiān)信探索清潔能源為人類帶來的福祉吸引他們不能止步，太陽能、風(fēng)能、水能等尚且如此，核聚變領(lǐng)域更是任重道遠(yuǎn)。
參考資料：
1.《世界首次激光核聚變點(diǎn)火成功，“人造太陽”指日可待？》，中國新聞周刊
2.《鳳凰獨(dú)家 | 院士杜祥琬：可控核聚變美國成了嗎？》，鳳凰網(wǎng)科技
3.《有太陽，為什么還要人造“太陽”？》，新華網(wǎng)
4.《美媒歡呼：美國核聚變實(shí)現(xiàn)歷史性突破， 中方回了一句話震動全球》，野叟奇言
