【文/觀察者網(wǎng) 李澤西】
“這一重大科學(xué)突破，是我們走向清潔能源未來的一個里程碑。”
當(dāng)?shù)貢r間12月13日，美國能源部宣布，其下屬勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的一個團(tuán)隊，12月5日在國家點(diǎn)火設(shè)施（下稱“NIF”）進(jìn)行了歷史上第一次可控核聚變實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“核聚變點(diǎn)火”(fusion ignition)，該反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過所消耗的能量。
“這是一個醞釀了幾十年的公告，”美國能源部稱，這一突破將永遠(yuǎn)改變清潔能源和美國國防的未來。
NIF資料圖
定量是否“實(shí)現(xiàn)”了可控核聚變的判斷標(biāo)準(zhǔn)，是看核聚變裝置輸出的能量與輸入的能量的比例，稱為Q值。如果Q≤1，即產(chǎn)出的能量不及輸入的能量，對于科學(xué)研究還是有意義的，但核聚變還是在耗費(fèi)其他能源來源，顯然無法為人類提供能量。如果輸出的能量超出輸入的能力，則Q>1，核聚變理論上被認(rèn)為“實(shí)現(xiàn)了”，可能可以開始為人類發(fā)電了。
美國能源部透露，NIF投入了205萬焦耳能量，使大約4%核聚變?nèi)剂袭a(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)出了315萬焦耳能量，Q值大約達(dá)1.5。
但僅僅因?yàn)橐呀?jīng)能夠設(shè)計出一種能量增益的聚變反應(yīng)，并不意味著人類發(fā)電方式的任何有意義的變化即將到來。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員，風(fēng)云學(xué)會會長袁嵐峰認(rèn)為，只有當(dāng)Q達(dá)到10，核聚變才有商業(yè)價值，因此NIF此次成果只能被理解為一個階段性成果。
在發(fā)布會上，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室主任金伯利·布迪爾（KimberleyBudil）也坦承，要實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變發(fā)電，還需要做“許多事情”，其中就包括“每分鐘產(chǎn)生許多次核聚變點(diǎn)火”，這一過程可能還要花幾十年。她表示，NIF目前使用的激光技術(shù)“基于1980年代”，下一步需要升級相關(guān)設(shè)施，簡化流程以提高其可重復(fù)性。
凈能量增益聚變反應(yīng)之所以如此難以捉摸，其原因在很大程度上是因?yàn)榭茖W(xué)家必須在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生極端條件才能使反應(yīng)發(fā)生。通常，需要使用巨大的激光器將氫的同位素加熱到數(shù)百萬攝氏度的溫度。然后，產(chǎn)生的等離子體被限制在極高的壓力下，導(dǎo)致同位素以足夠的力量聚集在一起，使它們?nèi)诤铣刹煌脑亍．?dāng)它們?nèi)诤铣刹煌脑貢r，則以熱量的形式釋放出能量。
NIF使用的環(huán)空器，用于裝核聚變?nèi)剂希▓D源：NIF）
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等離子體物理與聚變工程系副主任吳征威向觀察者網(wǎng)表示，美國建設(shè)NIF的初衷不是為了發(fā)電，而是為了模擬核爆炸。他認(rèn)為，NIF目前還沒有針對連續(xù)獲取聚變產(chǎn)生熱量的完整設(shè)計；在走向未來的潛在商業(yè)化途中，NIF采用的技術(shù)方案需要考慮激光等設(shè)施本身高昂的建設(shè)和運(yùn)行成本。
美國能源部“核聚變點(diǎn)火”消息發(fā)布之際，拜登政府正致力于發(fā)展清潔發(fā)電，并且特別強(qiáng)調(diào)了聚變能源，最近美國通過的《降低通貨膨脹法》為該領(lǐng)域的研究提供了大量資金。
自核聚變技術(shù)1930年代誕生以來，該行業(yè)的口號似乎一直是“三十年內(nèi)，我們有望建成可產(chǎn)出能源的核聚變反應(yīng)堆”。早在1940年代，科學(xué)家們就開始試驗(yàn)聚變反應(yīng)堆。雖然它們長期以來一直能夠產(chǎn)生聚變反應(yīng)，但直到現(xiàn)在，這些反應(yīng)總是需要輸入超過它們最終所產(chǎn)生的能量。
核聚變，是指將兩個較輕的原子核結(jié)合，形成其他的核子；不過，一般來說“產(chǎn)生新原子”不是目的。該過程中，新生核子質(zhì)量不及原來核子質(zhì)量，質(zhì)量沒有守恒，多出的質(zhì)量被轉(zhuǎn)換為光子能量；產(chǎn)出的能量根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能守恒方程“E=Mc^2（能量=質(zhì)量x光速^2）”。科學(xué)家希望利用這一過程產(chǎn)出的能量。
質(zhì)量最輕的核子分別是氫和氦，這兩個元素在核聚變中最常見。太陽就是通過不斷地將氫原子變成氦原子而持續(xù)釋放熱量，在其生命接近尾聲時也將開始“燃燒”氦原子，因此核聚變也有時被稱為“人造太陽”技術(shù)。
氘氚聚變反應(yīng)
不過，宇宙中最常見的氫同位素（同一原子不同的同位素，區(qū)別在于其中子數(shù)量，不過由于同位素之間質(zhì)子數(shù)量一樣，除了重量差異，日?；瘜W(xué)反應(yīng)上沒有區(qū)別）是“氕”（即一個質(zhì)子，占?xì)淇偭?gt;99%），而氕需要100億度左右的溫度，才能突破兩個質(zhì)子（都是+1e電荷，正正相斥）之間的靜電能量壁壘，從而結(jié)合。太陽中心“只有”1500萬度，一度被認(rèn)為無法實(shí)現(xiàn)核聚變，不過科學(xué)家后來發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子可以偶爾經(jīng)由波函數(shù)的隧道，穿過這一障礙。即便如此，太陽每年也只能聚變其0.000000000001%的燃料，太陽的熱量主要還是源于其巨大的基數(shù)。
而人類顯然無法創(chuàng)造太陽這么大的反應(yīng)堆基數(shù)。更大的問題是，太陽內(nèi)的氕原子因太陽巨大的引力，很難自己“逃跑”，因此太陽可以維持自己當(dāng)前的溫度和壓力（高達(dá)2000億大氣壓），“耐心等待”氕原子偶然發(fā)生聚變。人類要想在“又冷又松散”的地球上復(fù)制太陽核心的條件已經(jīng)夠難了，更不可能“耐心等待”原子偶然發(fā)生聚變。
幸運(yùn)的是，人類可以采取其他反應(yīng)實(shí)現(xiàn)核聚變。氫的同位素除了最常見的氕，還有氘（1質(zhì)子+1中子）和氚（1質(zhì)子+2中子）。中子的存在，加大了核子之間強(qiáng)核力的作用；質(zhì)子既有互相吸引的強(qiáng)核力，也有互相排斥的電磁力，而沒有電荷的中子，與質(zhì)子和自己之間只有同等強(qiáng)度的強(qiáng)核力，不存在排斥力。氘氚之間的聚變反應(yīng)，“只需要”1500萬度，“連太陽都能正常實(shí)現(xiàn)”，反應(yīng)產(chǎn)出一個氦-4核子和一個中子。
NIF就是采用了氘氚聚變路線。為了至少短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)核聚變，NIF使用全世界最強(qiáng)的激光，通過192個射線，在幾納秒內(nèi)輸送5萬億瓦功率的光能。激光的“靶子”，是一個名叫“環(huán)空器”的空腔，中間包含氘氚燃料。激光輸入的能量，使燃料溫度達(dá)1億度，核聚變反應(yīng)“點(diǎn)火”，從而產(chǎn)生能量，故名“國家點(diǎn)火裝置”。這一技術(shù)路線稱為“慣性約束聚變”。
NIF慣性約束聚變（圖源：《金融時報》）
該反應(yīng)要求環(huán)空器內(nèi)壁和燃料小球形態(tài)完全對稱，使得燃料小球得以均衡接受能量，連微米級別的缺陷都不允許，否則在不對稱加熱情況下，激光帶來的能量可能從小球的一側(cè)往外釋放，無法使氘氚燃料內(nèi)爆至核聚變發(fā)生。
據(jù)勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室介紹，NIF通過測量產(chǎn)出的中子數(shù)量，倒推出發(fā)生的氘氚反應(yīng)數(shù)量，從而得出能量產(chǎn)出額。
隨著人類高端制造愈發(fā)精細(xì)化，制作愈發(fā)完美的環(huán)空器和燃料小球，“慣性約束聚變”下的核聚變效率得以不斷提升。據(jù)《科學(xué)美國人》1974年的估算，“慣性約束聚變”理論上可實(shí)現(xiàn)輸入140萬焦耳，得出3000萬焦耳，Q>20。
“慣性約束聚變”之外，核聚變的另一個技術(shù)路線是“托卡馬克核聚變”。1950年代，蘇聯(lián)科學(xué)家開始托卡馬克技術(shù)的相關(guān)研究?！?span style="color: rgb(64, 62, 214);">托卡馬克”是俄語中“環(huán)形”、“真空室”、“磁”和“線圈”的縮寫。這個名稱起的極其恰當(dāng)：在托卡馬克的真空中，核聚變?nèi)剂系入x體在線圈電流產(chǎn)生的極強(qiáng)磁場作用下，迅速環(huán)形運(yùn)轉(zhuǎn)。
物理學(xué)家的希望是，核聚變?nèi)剂显谶@一情況下可偶爾突破靜電能量壁壘，實(shí)現(xiàn)核聚變，維持這一狀態(tài)夠久，或能產(chǎn)出凈能量。吳征威表示，就目前進(jìn)展而言，磁約束聚變裝置運(yùn)行模式更持續(xù)，能量輸出更穩(wěn)定，且能量獲取模式更為成熟。
布迪爾在13日的發(fā)布會上也表示，用磁場控制等離體核聚變?nèi)剂系募夹g(shù)，目前更為接近發(fā)電站中的實(shí)際應(yīng)用。
因此，托卡馬克技術(shù)遠(yuǎn)比“慣性約束聚變”的技術(shù)應(yīng)用廣泛。法國、澳大利亞、日本等少數(shù)西方國家在“慣性約束聚變”技術(shù)方面進(jìn)行一些嘗試，不過只有美國的NIF在此實(shí)現(xiàn)顯著的成果。而托卡馬克技術(shù)，除了多國獨(dú)自運(yùn)行的反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)裝置，還有35國共同參與的“國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆”（ITER）。
ITER早在1988年啟動，預(yù)計將實(shí)現(xiàn)Q>10，但是施工過程持續(xù)延遲，至今未完成。袁嵐峰認(rèn)為，“當(dāng)這么多國家同時參與，任何一方面的反對都能將這一項(xiàng)目陷入停滯”。根據(jù)最新估計，ITER將于2035年啟動氘氚反應(yīng)，不過這也需要繞過一些環(huán)保主義者等群體的持續(xù)反對。
中國獨(dú)自建立運(yùn)行的著名“人造太陽”設(shè)施近年持續(xù)取得進(jìn)展，2021年底實(shí)現(xiàn) 1056 秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行。不過，袁嵐峰告訴觀察者網(wǎng)，“人造太陽”技術(shù)上“無法同時實(shí)現(xiàn)核聚變對溫度、等離子密度和持續(xù)時間”的要求；“人造太陽”所取得的成果，將通過預(yù)計2030年代建成的“中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆”實(shí)現(xiàn)中國的核聚變之夢。
中國“人造太陽”內(nèi)部
此外，還有美國物理學(xué)家1950年代研發(fā)的仿星器技術(shù)。仿星器技術(shù)與托卡馬克技術(shù)路線大致相似，所需能源少一些、設(shè)計參數(shù)相對靈活，不過磁場更為復(fù)雜，且在托卡馬克技術(shù)風(fēng)靡全球后一度遭到冷落，長期沒有顯著進(jìn)展。近年，隨著托卡馬克技術(shù)路線遭遇一系列困難，美國等國對仿星器技術(shù)重新燃起了一定的興趣；這也被認(rèn)為是美國近年威脅撤出ITER的原因之一。
氘是氫的一個穩(wěn)定同位素，豐度為0.0156%，可以直接從水里通過分解等常規(guī)工業(yè)手段提取。氚具放射性，半衰年為12.43年，因此需要人為“現(xiàn)用現(xiàn)造”；一般生產(chǎn)途徑是用中子撞擊鋰的兩個主要同位素（鋰-6和鋰-7）。目前最常見的生產(chǎn)途徑是利用核裂變過程產(chǎn)出的中子觸發(fā)鋰的聚變，不過由于氘氚反應(yīng)本身也會產(chǎn)生中子，隨著未來的持續(xù)研發(fā)，或許可能實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)”。
相較更出名的核裂變，核聚變產(chǎn)生的核廢料一般半衰期極短，即很快就消失，且由于需要極高的溫度和壓力（核裂變一般只需要幾千度，在正常氣壓下亦可持續(xù)），反應(yīng)堆出現(xiàn)任何意外情況，反應(yīng)會立刻自動終止，基本不存在核泄漏的風(fēng)險。兩者的碳排放理論上均為零，都被認(rèn)為是“清潔能源的未來”，不過核聚變由于沒有核裂變的負(fù)面包袱而相對更受青睞。
核裂變的發(fā)生原理是因?yàn)槿缛糨^重的原子核分裂，新生核子質(zhì)量也會不及原來核子質(zhì)量。
核結(jié)合能，從輕重兩端“往上走”釋放能量，頂部的鐵（Fe）“最穩(wěn)定”
不過，這些較重的原子只可能在恒星爆炸過程中產(chǎn)生，分布較少，因此燃料有限。此外，雖然核裂變的能量密度極高，常用于一些需要極高能量密度的航天應(yīng)用，但是其能量密度遠(yuǎn)不及核聚變：每公斤鈾裂變大約產(chǎn)生80萬億焦耳的能量，但是每公斤氘氚聚變大約產(chǎn)生340萬億焦耳的能量。
這也是為什么氫彈比原子彈威力更大；全球目前威力最大的“沙皇炸彈”就是一個典型的氫彈，威力超5000萬噸爆炸當(dāng)量。原子彈的工作原理相對簡單，一個觸發(fā)機(jī)制引爆核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。氫彈則需要上述核裂變反應(yīng)發(fā)生，誘發(fā)核聚變反應(yīng)；實(shí)際上，大多數(shù)當(dāng)代的氫彈中，只含少量的氫原子，大多數(shù)核聚變?nèi)剂蠈?shí)際上是鋰，通過吸收核裂變反應(yīng)產(chǎn)生的中子迅速聚變?yōu)楹司圩內(nèi)剂?。有些人甚至稱，“氫彈”實(shí)際上應(yīng)該改名“鋰彈”，才能更準(zhǔn)確的反應(yīng)其中儲存的核聚變?nèi)剂稀?/p>
氫彈爆炸過程（圖源：中國工程物理研究院）
“氫彈”于1952年首次引爆，然而用核聚變產(chǎn)生能量的研究就復(fù)雜多了，因?yàn)闅鋸検峭ㄟ^核裂變帶來的威力才能在一瞬間維持核聚變反應(yīng)；雖然核聚變釋放的能量遠(yuǎn)超核裂變所投入的能量（Q達(dá)數(shù)十），但這一反應(yīng)顯然是不可控的。
在和平核聚變研究的開始，科學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)無法輕易復(fù)制太陽或氫彈中心的條件，因此有些科學(xué)家提議，是否可以直接從氫彈提取核聚變能量？美國在1970年代一度研究過“PACER項(xiàng)目”，即在地下鹽丘中連續(xù)引爆氫彈，通過產(chǎn)生的熱能發(fā)電。不過，該項(xiàng)目因“巨大的技術(shù)難度”、“公眾對此的潛在反對”以及“沒有價格優(yōu)勢”而在1975年被叫停。
一定程度上，“慣性約束聚變”與氫彈的原理有些相同之處。兩者都是利用外來的能源，“脈沖式”瞬間“點(diǎn)火”核聚變反應(yīng)，希望在核聚變溫度條件成熟，而燃料尚未散開的短暫窗口期間，產(chǎn)出超出投入的能量?！皯T性約束聚變”由于規(guī)模更小，這一窗口也就更為短暫，因此此前一直無法突破Q>1的界限。
此外，許多航天機(jī)構(gòu)還多次研究過核脈沖推進(jìn)，即通過持續(xù)的核反應(yīng)快速高效加速航天器。英國星際學(xué)會曾在1970年代提出“代達(dá)羅斯計劃”，利用“慣性約束聚變”，將一個無人衛(wèi)星50年內(nèi)飛經(jīng)距離地球6光年的巴納德星。美國國家航天局也曾在1980年代研究過“Longshot計劃（'孤注一擲計劃’）”，也利用“慣性約束聚變”，將一個無人衛(wèi)星數(shù)十年內(nèi)送抵距離地球4光年的南門二。兩個計劃目前都沒有得到任何政府的重視。
目前核聚變研究基本上都使用技術(shù)要求最低的氘氚反應(yīng)。放眼未來，“簡易程度”僅次于氘氚反應(yīng)的是氘和氦-3（2個質(zhì)子和一個中子）反應(yīng)，也有較為廣闊的發(fā)展前景，可能可以推動人類走向太空。在月球上，中國等國的航天局已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量氦-3礦，一方面成為多國探月的目標(biāo)之一，另一方面也可成為進(jìn)一步探索宇宙的重要燃料。
吳征威認(rèn)為，雖然我們距離商用的核聚變還有較遠(yuǎn)的距離，但是NIF能實(shí)現(xiàn)增益“確實(shí)已經(jīng)很了不起了”，將推動人類進(jìn)一步接近解鎖核聚變的“無限能源可能”。
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