美“核聚變突破”意義到底多大？

美國(guó)能源部2022年12月13日宣布，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）首次實(shí)現(xiàn)了所謂的“能量?jī)粼鲆妗保春司圩兎磻?yīng)產(chǎn)生的能量超過(guò)輸入的能量。美國(guó)媒體對(duì)此給予高度稱贊，將其形容為“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”。

清潔能源的“圣杯”？

? 根據(jù)美國(guó)能源部和國(guó)家核安全局發(fā)布的聯(lián)合聲明，NIF一直在嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產(chǎn)生的高溫高壓實(shí)現(xiàn)核聚變。12月5日，該研究團(tuán)隊(duì)將2.05兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，產(chǎn)生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，達(dá)到了“點(diǎn)火”標(biāo)準(zhǔn)。

? 美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)（CNN）稱，盡管單從數(shù)據(jù)上看，這次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量“只夠燒開(kāi)10壺水”，但它的意義非常重大。根據(jù)核聚變反應(yīng)的準(zhǔn)則，當(dāng)核聚變的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率，并且有足夠的能量被系統(tǒng)捕獲和利用，就可以被稱為“點(diǎn)火成功”。但在過(guò)去幾十年中，這一直是科學(xué)家們未能實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想。NIF從2010年開(kāi)始正式的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，用了10多年時(shí)間才夢(mèng)想成真。

? 中國(guó)工程院院士杜祥琬解釋說(shuō)，美國(guó)此次公布的“激光可控核聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)”可以通俗地理解為，NIF設(shè)置了一個(gè)“小靶子”，“靶子”中有熱核材料，然后利用高能激光照射“小靶子”，點(diǎn)燃里面的熱核材料產(chǎn)生核聚變，最后輸出的能量就是核聚變能。這次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了“產(chǎn)生的核聚變能大于輸入的激光能”，這是一個(gè)重大的進(jìn)步，具有科學(xué)意義，但是離實(shí)現(xiàn)高增益還有距離。

? 杜祥琬還指出，該實(shí)驗(yàn)的定位也不是商用的能源裝置，美國(guó)此次開(kāi)展的激光能可控核聚變，根本目的是研究核武器相關(guān)的物理問(wèn)題。

? 據(jù)介紹，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置由美國(guó)能源部下屬管理核武器的國(guó)家核安全局負(fù)責(zé)運(yùn)行，它的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)能產(chǎn)生高能量的聚變反應(yīng)，并為美國(guó)核武器儲(chǔ)備的維護(hù)提供指導(dǎo)。這可以幫助美國(guó)繞過(guò)因《全面禁止核試驗(yàn)條約》而停止的地下核試驗(yàn)，轉(zhuǎn)而以較小的規(guī)模進(jìn)行核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并從中收集數(shù)據(jù)。LLNL的武器物理和設(shè)計(jì)項(xiàng)目主任馬克·赫爾曼表示，該實(shí)驗(yàn)本身就創(chuàng)造了非常極端的環(huán)境，更加接近于核武器爆炸。

現(xiàn)在有兩條技術(shù)路徑

? 據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的定義，核聚變反應(yīng)是較輕的原子核結(jié)合成較重的原子核，這一過(guò)程會(huì)釋放出巨大能量。盡管人類早就通過(guò)氫彈驗(yàn)證了核聚變蘊(yùn)含的巨大能量，但在可控核聚變方面卻始終進(jìn)展緩慢，這是因?yàn)楹司圩冃枰獦O高的溫度和壓力條件才能進(jìn)行。

? 杜祥琬介紹說(shuō)，為實(shí)現(xiàn)核聚變的條件，當(dāng)前可控核聚變主要分為兩條技術(shù)路徑。其中之一是高功率激光作為驅(qū)動(dòng)器的慣性約束核聚變，代表就是美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置。它是世界上最大的激光裝置，造價(jià)高達(dá)35億美元，可以動(dòng)用近200臺(tái)激光器產(chǎn)生的高能激光集中轟擊一個(gè)微小的核聚變材料靶標(biāo)，以啟動(dòng)核聚變反應(yīng)。杜祥琬透露，中國(guó)也有類似的高能激光裝置。公開(kāi)材料顯示，中科院與中物院聯(lián)合研制的“神光II”型高能量聚變激光器已于2000年建成投入運(yùn)行。

? 而另一條技術(shù)路徑是磁約束聚變，即用磁場(chǎng)約束超高溫和高壓的聚變物質(zhì)。這個(gè)路線的主攻方向是托卡馬克裝置。杜祥琬表示，其典型代表是位于法國(guó)南部的“國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）”，中國(guó)是這項(xiàng)計(jì)劃的重要參與國(guó)。此外，中國(guó)還在合肥、成都建造有自己的托卡馬克裝置，它們承擔(dān)的就是開(kāi)展獲取可控核聚變能源的實(shí)驗(yàn)。杜祥琬表示，對(duì)于可控核聚變的兩種不同技術(shù)路線，學(xué)界的主流認(rèn)識(shí)認(rèn)為，托卡馬克裝置離實(shí)現(xiàn)商用級(jí)可控核聚變更有希望。

距離實(shí)用化還有多遠(yuǎn)

? 美國(guó)能源部部長(zhǎng)格蘭霍姆表示，核聚變的商業(yè)化或許可能會(huì)在未來(lái)的“幾個(gè)十年”內(nèi)實(shí)現(xiàn)，大概率不會(huì)是之前預(yù)計(jì)的“五六十年”，但科學(xué)界普遍對(duì)于可控核聚變的商業(yè)化前景持謹(jǐn)慎態(tài)度。英國(guó)《金融時(shí)報(bào)》稱，盡管該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量比激光器輸入的能量高，但光是激光器運(yùn)行就需要約300兆焦的能量，就整個(gè)系統(tǒng)而言，產(chǎn)生的能量仍微不足道。此外，從聚變熱能轉(zhuǎn)化為電力的過(guò)程中還會(huì)有能量損失，“因此可以說(shuō)，國(guó)家點(diǎn)火裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一項(xiàng)科學(xué)上的成功，但離提供可用的、充足的清潔能源還有很長(zhǎng)一段路要走”。美國(guó)《華盛頓郵報(bào)》稱，如果要制造足夠大的設(shè)備大規(guī)模產(chǎn)生核聚變能量，將需要極其難以生產(chǎn)的材料；同時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生的中子會(huì)給設(shè)備帶來(lái)巨大壓力，令其在反應(yīng)過(guò)程中被摧毀。

? 杜祥琬表示，人類離實(shí)現(xiàn)可控核聚變的實(shí)用化，也就是造出所謂的“人造太陽(yáng)”，現(xiàn)在還有距離，但要強(qiáng)調(diào)的是，人類離實(shí)現(xiàn)這一愿景并沒(méi)有原理性的障礙，我們已經(jīng)看到全人類為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)取得了許多技術(shù)進(jìn)步和突破?！爸劣谶€要多久才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為還需要二三十年，我認(rèn)為可能需要的時(shí)間更長(zhǎng)一點(diǎn)，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以鴮?duì)我說(shuō)過(guò)一句話，核聚變能發(fā)電，點(diǎn)燃的第一盞燈會(huì)在中國(guó)亮起，對(duì)此我很贊賞，相信本世紀(jì)我們一定可以實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。”

（摘自《環(huán)球時(shí)報(bào)》樊巍、陳山）