可控核聚變，是科幻題材中的老戲骨。

無論是《三體》還是《流浪地球》，可控核聚變承載著人類沖出宇宙的多重想象，原因就在于它取之不盡、用之不竭，是解決能源問題的終極答案之一。然而在現(xiàn)實(shí)中，要實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)門檻極高，全世界科學(xué)家為此殫精竭慮，也無法完全掌握可控核聚變的技術(shù)。

(資料圖片)

但最近，一個(gè)令科學(xué)界振奮的消息傳來：當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月13日，美國能源部正式宣布了一項(xiàng)核聚變的歷史性突破。加州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(下稱LLNL)的科學(xué)家于12月5日首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益(Net Energy Gain)”，即受控核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過驅(qū)動(dòng)反應(yīng)發(fā)生的激光能量。

這一時(shí)刻也被稱為“聚變點(diǎn)火(Fusion Ignition)”。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。

如果數(shù)據(jù)得到確認(rèn)，這就意味著人類朝“人造太陽”的目標(biāo)，又近了一步。

世界首次“點(diǎn)火”

當(dāng)192束超高能量的激光束同時(shí)轟擊一顆胡椒粒大小、裝有氘和氚元素的圓柱體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果？

12月5日，LLNL的鍍金鼓內(nèi)，一組科學(xué)家展開了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，精巧地重現(xiàn)了為太陽提供動(dòng)力的物理學(xué)。

“奇跡”發(fā)生了。激光束為圓柱體提供2.05兆焦耳的能量后，輸出了3.15兆焦耳的核聚變能量。這一壯舉被稱為點(diǎn)火，對于全球研究聚變的科學(xué)家來說，是一個(gè)巨大的勝利。

核聚變點(diǎn)火是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵步驟，是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的前提和基礎(chǔ)。核聚變指的是當(dāng)原子合并在一起時(shí)，釋放出巨大能量的過程，這個(gè)過程可以在碳排放幾乎為零的情況下，源源不斷地提供綠色能源。但是，想在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)核聚變并非易事，一個(gè)重大的挑戰(zhàn)就是“點(diǎn)火”（即核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量等于或超過輸入能量的時(shí)刻）。

一直以來，可控核聚變被認(rèn)為是“人類的終極能源”，但歷經(jīng)70多年的研究后，仍處在實(shí)驗(yàn)階段?！包c(diǎn)火”，即核聚變產(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。只有滿足這種條件，這一裝置才有望提供能源，而不只是一個(gè)耗電器。

多年來，科學(xué)家們一直在進(jìn)行這種類型的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的能量還不足以供給維持系統(tǒng)本身。早在2009年，美國國家核安全管理局在加州的LLNL建成國家點(diǎn)火裝置（NIF），在高10層、約有3個(gè)足球場大的建筑物中開展前述實(shí)驗(yàn)。NIF原定目標(biāo)是在2012年實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)火”，但未能如期達(dá)成。NIF在此后多年備受爭議，業(yè)內(nèi)一度悲觀認(rèn)為，它可能永遠(yuǎn)無法“點(diǎn)火”。

NIF的突破是循序漸進(jìn)的。2022年1月，NIF團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志發(fā)表文章提到，已經(jīng)用1.7兆焦耳的激光發(fā)射產(chǎn)出了1.3兆焦耳能量，研究者證明了相關(guān)的機(jī)制，并稱有信心在未來產(chǎn)出更多能量。9月，研究者又重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。2個(gè)月后，NIF實(shí)現(xiàn)了“點(diǎn)火”。

可控核聚變實(shí)現(xiàn)了正循環(huán)，LLNL的實(shí)驗(yàn)也從科學(xué)層面證明了，慣性約束聚變可以實(shí)現(xiàn)凈能量增益，新科學(xué)的大門正在敞開。

各國技術(shù)各有所長

核聚變是核能的一種形式，指兩個(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。太陽之所以能發(fā)光發(fā)熱，便是依靠內(nèi)部不斷產(chǎn)生的核聚變提供動(dòng)力。一個(gè)原子核分裂成兩個(gè)輕原子核，也可以產(chǎn)生能量，被稱為核裂變，人們熟知的原子彈、核電站都是采用的這一原理。

核聚變?nèi)剂县S富且容易獲得，核聚變也不會(huì)產(chǎn)生高放射性的核廢物，清潔安全。核聚變也不會(huì)產(chǎn)生高放射性的核廢物，清潔安全。因此，核聚變作為解決人類能源危機(jī)的終極能源，雖然已經(jīng)花費(fèi)數(shù)十年的時(shí)間仍未實(shí)現(xiàn)發(fā)電，但各國還是不遺余力在參與這項(xiàng)研究。

1952年，美國在太平洋的一個(gè)無人島上引爆世界上第一顆氫彈，也讓全世界第一次見識(shí)到了核聚變的威力。但這種引爆發(fā)射的能量是瞬間釋放，而如果想要通過這種手段成為民用能源，能量必須要有序受控地緩慢釋放。于是，核領(lǐng)域誕生了新的課題——可控核聚變的研究。

可控核聚變發(fā)展至今已有70年歷史，幾十年來，世界各國對可控核聚變的研究均投入了大量人力物力，也獲得了一系列重要成果。

目前，世界上研究可控核聚變的國家和地區(qū)主要有歐洲、美國、日本、俄羅斯和中國，各國的研究側(cè)重和研究進(jìn)展各不相同。

除了托卡馬克裝置外，美國在激光慣性約束可控核聚變上保持全球領(lǐng)先的地位。

歐洲在先進(jìn)托卡馬克裝置的研究上占得先機(jī)。早在1982年，歐洲原子能委員會(huì)就在英國的卡拉姆實(shí)驗(yàn)室建造了目前世界上已建成的托卡馬克裝置中尺寸最大的裝置之一的“JET”。

2021年12月，來自歐洲的研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了受控核聚變能量的新紀(jì)錄：在歐洲聯(lián)合環(huán)反應(yīng)堆中，將氫的同位素氘和氚加熱到了1.5億攝氏度并穩(wěn)定保持了5秒鐘。

日本一直致力于發(fā)展人類新的能源，在托卡馬克裝置的研究方面走在世界前列。早在1985年，日本原子能研究所就成功運(yùn)行了JT-60大型托卡馬克裝置，該裝置曾達(dá)到4億攝氏度中心離子溫度。

俄羅斯發(fā)展托卡馬克歷史悠久，但目前研究進(jìn)展相對緩慢。目前，俄羅斯正大力參與并推進(jìn)ITER項(xiàng)目，并再次發(fā)展國內(nèi)托卡馬克研究。

中國在核聚變方面的研究起步較慢，但目前處于不斷加速狀態(tài)。我國核聚變研究起始于20世紀(jì)60年代，1970年開始自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，1984年建成中國換流器一號。1994年我國建成了“合肥超環(huán)”，此后進(jìn)入快速發(fā)展階段。

2021年5月，“東方超環(huán)”（世界上第一個(gè)非圓截面全超導(dǎo)托卡馬克）實(shí)現(xiàn)了1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒的等離子體運(yùn)行，突破了世界紀(jì)錄。

“東方超環(huán)”

如今，我國的可控核聚變發(fā)展，已從過去的跟跑上升到與歐美并跑。

商業(yè)之路任重道遠(yuǎn)

在點(diǎn)火成功之后，外界關(guān)于可控核聚變的最大關(guān)注點(diǎn)在于，此次突破是否意味著清潔、無窮無盡的核聚變發(fā)電已經(jīng)觸手可及？

答案是否定的。

據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，這次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量只夠燒開15-20壺水。此外，盡管該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量比激光器輸入的能量高，但與激光器工作所需供能（約300兆焦耳）相比則低得多。

目前，各國可控核聚變裝置仍在實(shí)驗(yàn)階段。未來想要應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，無論哪種技術(shù)路徑，都要考慮“投入產(chǎn)出比”，業(yè)內(nèi)稱之為Q值。即能量增益因子，指核聚變反應(yīng)輸出能量與輸入能量之比。當(dāng)Q值大于1時(shí)，就意味著可控核聚變“不虧本”，產(chǎn)生的能量大于消耗的能量。

除了Q值，可控核聚變未來想要商用，還要盡可能延長反應(yīng)時(shí)間。只有穩(wěn)定地燃燒釋放，未來才有可能建成發(fā)電站。

盡管不少研究者認(rèn)為，這個(gè)結(jié)果能證明，可控核聚變在未來有可能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力負(fù)荷，也有可能用于制氫或者供暖等。但要實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變，業(yè)內(nèi)的共識(shí)是，一切才剛剛起步。在投入大規(guī)模商用之前，這個(gè)過程還需要不斷重復(fù)和完善，而且它產(chǎn)生的能量也必須得到顯著提高。

LLNL實(shí)驗(yàn)室主任金·布迪爾(Kim Budil)也表示，如果想將這一成果商業(yè)化，核聚變技術(shù)仍有“重大障礙”需要克服，可能還需要幾十年的努力和投資。

KimBudil

結(jié)語

近一個(gè)世紀(jì)以來，自從天文學(xué)家亞瑟·愛丁頓推測了為太陽提供動(dòng)力的氫和氦之間的關(guān)系，人類一直被“建造一座像恒星一樣運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電廠”這一設(shè)想所吸引。這一目標(biāo)被全球科學(xué)家追尋著，并一步步向前邁進(jìn)。

雖然核聚變要真正應(yīng)用于發(fā)電站，或許還需要數(shù)十年的研究和突破。今天的技術(shù)突破也許還只是嬰兒蹣跚學(xué)步，但我們應(yīng)該相信，最終它將跑下來這場科技馬拉松。

對于未來，我們值得想象。

關(guān)鍵詞： 托卡馬克 受控核聚變 高放射性