NIF的核燃料球就放在圖中的裝置內(nèi)，192束激光會(huì)一起轟擊燃料球從而產(chǎn)生核聚變。

ITER結(jié)構(gòu)示意圖。

(資料圖)

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）示意圖。

中國(guó)航空?qǐng)?bào)訊：12月13日，美國(guó)能源部和國(guó)家核安全局宣布，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）在12月5日的一次實(shí)驗(yàn)中，成功實(shí)現(xiàn)了核聚變點(diǎn)火——聚變產(chǎn)生的能量多于激光輸入的能量。這臺(tái)耗資35億美元的裝置將攜帶2.05兆焦耳能量的192束激光打在幾毫米大小的燃料罐上，產(chǎn)生了3.15兆焦的能量——大概能燒開(kāi) 10壺水。

作為科幻作品最青睞的能源，核聚變擁有很多美妙的性質(zhì)。首先，地球上就有大量核聚變的燃料，如果將海水中的氘全提取出來(lái)用作核聚變，那海水的能量密度就能和石油相當(dāng)；其次，核聚變需要外界環(huán)境介入主動(dòng)維持，一旦設(shè)施失效反應(yīng)會(huì)自動(dòng)停止，安全隱患遠(yuǎn)小于核裂變；另外，核聚變還不會(huì)排放溫室氣體、也不會(huì)產(chǎn)生半衰期較長(zhǎng)的放射性廢料，完全算得上清潔能源。

但除了玩文字游戲，將光伏發(fā)電算作核聚變發(fā)電的人外，人類(lèi)至今為止還沒(méi)有在核聚變上實(shí)現(xiàn)輸出大于輸入。

不過(guò)情況正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月13日，美國(guó)能源部和國(guó)家核安全局宣布，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）成功實(shí)現(xiàn)了核聚變點(diǎn)火。激光輸入2.05兆焦耳的能量，核聚變能產(chǎn)生3.15兆焦的能量——輸出能量正好能把10升水從25攝氏度燒到100攝氏度。

核聚變點(diǎn)火

NIF是一臺(tái)耗資35億美元、占地相當(dāng)于3個(gè)美式足球場(chǎng)的裝置，它從2010年就已經(jīng)開(kāi)始了試驗(yàn)，原本計(jì)劃在2012年實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火，但計(jì)劃卻一再被延誤，預(yù)算也不斷超支。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，NIF可以發(fā)出1053納米的紅外脈沖，脈沖分為192束，每束激光長(zhǎng)度僅有幾納秒。紅外激光會(huì)被轉(zhuǎn)換成351納米的紫外線(xiàn)，最終聚焦在燃料球上。燃料球是一個(gè)鉛筆橡皮大小的金罐，里面裝有胡椒粒大小的燃料艙。金被加熱到數(shù)百萬(wàn)度，會(huì)發(fā)出X射線(xiàn)，使膠囊的鉆石殼蒸發(fā)。爆破的鉆石使燃料內(nèi)爆（implosion），壓縮并加熱燃料艙中的氘和氚，從而實(shí)現(xiàn)核聚變。

如果實(shí)驗(yàn)的條件足夠理想，那么聚變反應(yīng)會(huì)在中心熱點(diǎn)開(kāi)始并平穩(wěn)地向外傳播，聚變產(chǎn)生的熱量會(huì)引發(fā)更多核燃燒，這種核燃料自我維持燃燒的狀態(tài)被稱(chēng)為核聚變點(diǎn)火。實(shí)現(xiàn)核聚變點(diǎn)火所需要的條件被稱(chēng)為勞森判據(jù)（Lawson Criterion），它指的是核聚變材料的密度、溫度和禁錮時(shí)間三者之積必須超過(guò)1025eV·s·m-3，才有可能實(shí)現(xiàn)核聚變產(chǎn)能。

去年8月8日，NIF就已經(jīng)讓核聚變輸出能量達(dá)到了輸入能量的70%。今年8月8日，研究團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論快報(bào)》上介紹了那次實(shí)驗(yàn)成果。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中已經(jīng)突破了勞森判據(jù)，但還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)最終的能量收支平衡，當(dāng)時(shí)輸入的能量為1.92兆焦耳，聚變反應(yīng)能量達(dá)到了1.37兆焦耳。

但那次突破之后，NIF團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們一直無(wú)法重現(xiàn)當(dāng)時(shí)的成功。后來(lái)發(fā)現(xiàn)使用光滑的鉆石膠囊是關(guān)鍵（smooth diamond capsule）——2021年8月那個(gè)是最光滑和接近球形的。他們還使膠囊變厚了一些，提供了更大的動(dòng)量，但需要更長(zhǎng)、更強(qiáng)大的激光脈沖。因此調(diào)整了激光，將能量從1.9兆焦提高到2.05兆焦。

今年9月的一次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了1.2兆焦耳能量，研究者認(rèn)為他們走的路是正確的。但那次燃料球被壓扁了，并沒(méi)有被均勻壓縮，激光脈沖還需要經(jīng)過(guò)精細(xì)調(diào)整。最后，通過(guò)調(diào)整激光的192束光束之間的能量，它們能夠獲得更加球形的內(nèi)爆。終于在12月5日得到了這樣的結(jié)果——輸入2.05兆焦耳，輸出3.15兆焦耳。

不能發(fā)電的核聚變

美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）主任金·布迪爾（Kim Budil）將這次成就歸為一次概念證明：“我不想讓你覺(jué)得我們要把NIF接入電網(wǎng)：這絕對(duì)不是它的工作原理。但這（次成就）是慣性約束方案不可或缺的一部分。”美國(guó)勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是NIF的主管單位。

如果算總賬的話(huà)，NIF離輸出大于輸入還差得很遠(yuǎn)。NIF的激光器效率低下，為了產(chǎn)生2.05兆焦耳能量的激光，激光器需要消耗322兆焦耳的能量。為了實(shí)現(xiàn)總輸出大于總輸入，NIF至少還需要將效率提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

羅徹斯特大學(xué)激光能量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的里卡多·貝蒂（Riccardo Betti）表示，目前的實(shí)驗(yàn)方案還有另一個(gè)低效率問(wèn)題——它依賴(lài)于“間接驅(qū)動(dòng)”，引發(fā)核聚變的并不是激光本身，而是激光沖擊金罐時(shí)產(chǎn)生的X射線(xiàn)。只有1%的激光能量能進(jìn)入燃料。他更贊成“直接驅(qū)動(dòng)”，這是他的實(shí)驗(yàn)室采用的方法，激光的能量利用率能達(dá)到5%。2020年，貝蒂曾以NIF核聚變能源科學(xué)咨詢(xún)委員會(huì)委員的身份參與撰寫(xiě)過(guò)一份報(bào)告，建議NIF使用“直接驅(qū)動(dòng)”。“我們需要一種新的范式，”貝蒂說(shuō)，但“沒(méi)有明確的方法可以做到這一點(diǎn)。”

此外，如果想用NIF發(fā)電的話(huà)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)速度也是一個(gè)重要的問(wèn)題。目前NIF每天只能進(jìn)行1次這樣的實(shí)驗(yàn)，為了讓發(fā)電功率能與真正的發(fā)電廠相匹敵，NIF 需要將實(shí)驗(yàn)頻率提升到每天100萬(wàn)次——大約每秒10次。每天需要制造、填充、定位、爆破和清理一百萬(wàn)個(gè)膠囊同樣是一項(xiàng)巨大的工程挑戰(zhàn)。

NIF整體而言相對(duì)低效還有一個(gè)重要的原因。“NIF并不是為了高效而設(shè)計(jì)的，”紐約伊薩卡康奈爾大學(xué)的核工程師戴夫·哈默（Dave Hammer）說(shuō)。“它被設(shè)計(jì)成我們能建造的最大的激光器，是為了為我們提供核庫(kù)存研究計(jì)劃所需要的數(shù)據(jù)。”

從NIF所屬的組織架構(gòu)就能看出端倪。NIF屬于美國(guó)勞倫-斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，后者是美國(guó)核安全局的下屬單位，而美國(guó)核安全局則由一名美國(guó)能源部副部長(zhǎng)專(zhuān)職管理。在美國(guó)，核武器、核反應(yīng)堆都?xì)w能源部（United States Department of Energy，DOE）管理。曾在美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任激光聚變項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的物理學(xué)家斯蒂芬·博德納（Stephen Bodner）說(shuō)：“現(xiàn)在最大的問(wèn)題是看能源部接下來(lái)要做什么：是加強(qiáng)NIF對(duì)核武器的研究力度？還是轉(zhuǎn)向面向聚變能源的研究？”

“人造太陽(yáng)”呢？

實(shí)現(xiàn)核聚變主要有兩條路線(xiàn)：慣性約束和磁約束。NIF屬于慣性約束，用激光脈沖給核燃料加熱加壓實(shí)現(xiàn)核聚變。而平時(shí)我們?cè)谛侣勆峡吹降摹爸袊?guó)太陽(yáng)”則屬于磁約束裝置。磁約束一般使用的是托卡馬克（近年來(lái)，另一類(lèi)名為“仿星器”的設(shè)備也獲得了一定的影響力），它能利用強(qiáng)大的環(huán)形磁場(chǎng)將一大團(tuán)高溫等離子體束縛在其中，使其發(fā)生核聚變。從全世界范圍來(lái)看，磁約束是更主流的方案。

過(guò)去兩年中，中國(guó)和韓國(guó)的“人造太陽(yáng)”不斷刷新著高溫、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的紀(jì)錄——這是讓磁約束核聚變實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火、輸出大于輸入的關(guān)鍵手段。不過(guò)其實(shí)，中國(guó)和韓國(guó)的實(shí)驗(yàn)都是更大實(shí)驗(yàn)的一部分，都是為了更深度參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）。

世界上最重要的托卡馬克裝置非ITER莫屬了，它是由歐盟、美國(guó)、中國(guó)、日本、俄羅斯、印度和韓國(guó)出資建設(shè)的國(guó)際合作項(xiàng)目。2020年7月28日，ITER在法國(guó)展開(kāi)了總裝任務(wù)。在計(jì)劃中，ITER是一項(xiàng)將要持續(xù)20年的任務(wù)，最終任務(wù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能量效率Q值達(dá)到10，輸入50兆瓦的能量，輸出500兆瓦的聚變能量。但I(xiàn)TER目前也面臨著工期拖延的問(wèn)題，而且，就算ITER真的實(shí)現(xiàn)了500兆瓦的能量輸出，它也只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而不是成熟的商業(yè)項(xiàng)目。

當(dāng)然，核聚變并不只有國(guó)際合作項(xiàng)目。去年，我國(guó)立項(xiàng)了中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（CFETR），計(jì)劃在2035年開(kāi)始開(kāi)展大規(guī)模科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在2050年建設(shè)聚變商用示范堆。

所以，雖然核聚變發(fā)電距離我們還很遙遠(yuǎn)，但至少也沒(méi)有一直停留在“永遠(yuǎn)的50年”這一水平。在全世界科學(xué)家的努力下，可控核聚變已經(jīng)離我們?cè)絹?lái)越近了。

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