世界首次激光核聚变点火成功，“人造太阳”指日可待？

杨智杰

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火设施内部，这是一个基于激光的惯性约束聚变研究设施。图/LLNL

当192束超高能量的激光束同时轰击一颗胡椒粒大小、装有氘和氚元素的圆柱体时，会产生什么结果？

当地时间12月5日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）开展了这项实验，“奇迹”发生了。激光束为圆柱体提供2.05 兆焦耳的能量后，输出了3.15兆焦耳的核聚变能量。12月13日上午，美国能源部与美国国家核安全管理局专门召开新闻发布会，宣布这一重大突破。美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆称，“这是一个具有里程碑意义的成就”，未来将激发更多发现，为美国国防和清洁能源的发展铺平道路。

一直以来，可控核聚变被认为是“人类的终极能源”，但历经70多年的研究后，仍处于实验阶段。中山大学中法核工程与技术学院副教授王志斌向《中国新闻周刊》解释说，LLNL这次的实验从科学层面证明了，惯性约束聚变可以实现净能量增益。

“这一结果是科学的成功——但距离提供有用、丰富的清洁能源，还有很长的路要走。”剑桥大学核能讲师托尼·鲁尔斯通在一家公益机构媒体英国科学媒体中心上发表评论称。

早在2009年，美国国家核安全管理局在加州的LLNL建成国家点火装置（NIF），在高10层、约有3个足球场大的建筑物中开展前述实验。NIF原定目标是在2012年实现“点火”，但未能如期达成。NIF在此后多年备受争议，业内一度悲观认为，它可能永远无法“点火”。

1950年代，英国物理学家约翰·劳森正式提出著名的“劳森点火准则”，即当核聚变反应产出能量大于损耗能量，并有足够能量维持核聚变反应时，意味着成功“点火”。这是可控核聚变走入现实的必要指标之一。“只有这种情况下，核聚变装置才有望提供能源，而不只是一個耗电器。”王志斌解释说。

核聚变是核能的一种形式，指两个轻原子核结合成一个重原子核并产生能量的过程。太阳之所以发光发热，便是依靠内部不断产生的核聚变提供动力。

核聚变燃料丰富且容易获得，氘可以从海水中提取，氚可以利用丰富的天然锂生产。核聚变也不会产生高放射性的核废物，清洁安全。中国科学院院士、中科院物理所研究员张杰形容，“1立方千米海水所含的氘，经过聚变反应产生的能量，相当于地球上所有石油储备产生的总能量”，如果能开发，将“一劳永逸”解决人类的能源需要。

1952年，太平洋一个无人岛上，美国引爆世界上第一颗氢弹，让世人第一次见识到核聚变的威力。“但这些能量是被瞬间释放出来的，如果想要成为民用的能源，能量需要缓慢有序地、受控制地释放出来。”王志斌介绍，这才有了可控核聚变的研究。

想要两个原子核克服电排斥力结合，需要极为苛刻的条件。以太阳为例，其中心有高达1500万摄氏度的超高温，以及约有3000亿个大气压的超高气压。可控核聚变被称为“人造太阳”，需要模拟太阳中心的环境。实现可控核聚变有两条主流技术路径：磁约束核聚变和惯性约束核聚变。

地球上无法实现太阳上的超高压，如果把核燃料加热到1亿摄氏度以上，原子核便会有足够动力相互碰撞，发生聚变反应。但一旦到了这一温度，所有固态材料会直接汽化。上世纪50年代，苏联科学家研制出一个形似甜甜圈的“炼丹炉”，被称为托卡马克装置。它在环形圈内构建磁场约束核燃料，使其不与容器壁接触，可以持续燃烧一段时间，产生能量。此后，世界范围内曾掀起托卡马克建设热潮，美国、欧洲、日本、中国都斥巨资打造了这类大型装置。

惯性约束核聚变，是通过激光产生巨大压强，使核燃料体积在瞬间变小，密度变大，原子核发生聚变反应。世界上最知名的装置，便是今天的主角：NIF。

目前，各国可控核聚变装置仍在实验阶段。未来想要应用于现实，无论哪种技术路径，都要考虑“投入产出比”。业内一般用Q值来衡量，即能量增益因子，它是指产生的能量与维持反应器中等离子稳态的输入装置的能量之比。聚变反应发生在被称为等离子体的物质状态下，当Q大于1时，意味着可控核聚变产生的能量大于消耗的能量。

1997年，欧洲托卡马克JET输入24兆瓦功率加热反应器中的等离子体，产生了16兆瓦的聚变功率，Q值为0.67。同年，日本JT-60的托卡马克进行氘-氘实验后推算，如果将燃料替换成1：1的氘和氚混合物，Q值便可达到1.25。但受限于设备和材料，这仅是理论上的结果。NIF之前，不少业内人士认为，JET保持着世界最好的纪录。

NIF的突破是循序渐进的。早在2013年，LNLL曾称NIF有了巨大进展，被媒体误读为“产生了净能量”。美国《大西洋月刊》形容，当时的LNLL是“摆弄分母，将99％的失败变成了100％的胜利”。

2021年8月，NIF在一次核聚变反应中产出1.35兆焦耳的能量，约占实验中激光输入能量的70％，虽未达到收支平衡，但“向前迈出了历史性的一步”，被认为是站在“点火”的门槛上。2022年9月，研究者又重复了这个实验过程。两个月后，NIF实现了“点火”。

相关研究者认为，这一结果能证明，可控核聚变在未来有可能为电网提供稳定的电力负荷，也有可能用于制氢或者供暖等。

曼彻斯特大学核聚变研究人员阿尼卡·汗告诉媒体，这是“有前途和令人兴奋的结果”，但其并没有考虑聚变反应的激光所需的能量，或者过程中的低效与损耗，这些都必须在未来商用时考虑到。因此，“我们离商业核聚变还有一段路要走”，更无法帮助人类应对眼下的能源危机。

王志斌向《中国新闻周刊》解释说，NIF判断的Q值，是原子核吸收和放出的能量之比。但这一过程中，激光器有大量能量损耗，“你可以想象为，从电网取了100瓦的电输入到装置，但真正用到原子核反应堆的电只有25瓦，输出了30瓦的电。现在的Q是30：25，而不是30：100。”在他看来，未来想要真正实现经济、可靠，核聚变的能量必须高于输入激光器的能量。

据报道，NIF每次发射激光，需要消耗422兆焦耳来为电容器充电，如果将输出的能量3.15兆焦耳与之相比，实际的投入产出比甚至还不到1％。

张杰曾告诉媒体，无论是磁约束核聚变还是惯性约束核聚变，未来的共同目标是“要达到输出能量为输入能量的10倍、100倍，如果达到100倍，我们离核聚变电站就很近了。”

王志斌提到，从获得大规模、经济的能源角度看，相比惯性约束核聚变，磁约束核聚变离应用到人类的生活中更近，“这是从现有技术看，假如惯性约束核聚变有其他的重要突破，那就另当别论。”

“两种技术路径的目的是不同的。”王志斌介绍，以托卡马克装置为主的磁约束核聚变，更像是“烧煤球”，建设目标是聚变反应堆，输出能源，可用于发电等。惯性约束核聚变更像是“划火柴”，过程接近核爆炸，可以通过这些装置的研究来获取关键参数。

《科学》杂志12月13日直言，NIF 从未计划用于商业发电，主要功能是制造微型核爆炸，并提供数据，以确保美国核武器库的安全可靠。12月13日，美国能源部部长也提到，NIF的工作帮助解决人类最复杂和紧迫的问题，其中包括“在不进行核试验的情况下维持核威慑力”。

武汉大学水利水电学院副教授徐明毅在今年8月发表的一篇论文中提到，出于国防和战略安全考虑，美国、中国、欧盟、英、日等国家和地区都在开展相关研究，这其中包括美国的NIF、中国在运行的最大激光聚变驱动器神光III等。

有研究者认为，惯性约束核聚变并非不适合提供清洁能源，甚至也可以发挥重要作用。“两条路线都应继续研究，因为它们彼此间能交互很多信息。”英国贝尔法斯特女王大学学者詹卢卡·萨里在接受《新科学人》采访时提到。

除了Q值，可控核聚变未来想要商用，还要尽可能延长反应时间。“只有稳定地燃烧，未来才有可能建成发电站。”王志斌说。

但目前运行的托卡马克装置，聚变反应时间仅能以秒为单位计算。2022年2月，世界上运行中的最大托卡马克装置JET，在实验中做到连续5秒总共产生49兆焦耳的核聚变能量，刷新自己在1997年创下的纪录。去年年底，中国自主设计的东方超环EAST，实现等离子运行达1056秒，这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。

王志斌强调，目前可控核聚变实现Q大于1，只是验证了科学上的可行性。未来需要先建聚变示范电站，验证工程上可行。但这类电站投入建造成本高，发电价格远高于煤电或光伏发电，难以商用。最终，可控核聚变的发电成本至少要降到与现有能源价格相近，市场竞争力才会显现出来。“可控核聚变的确有可能是人类的未来能源，但从行业层面想要实现，挑战很大，但也可能100年后用的都是这样的能源。”

在中国，科学家们自1950年代开启聚变研究，1980年代，中國第一个托卡马克装置建成。进入21世纪，由安徽合肥中国科学院等离子体物理研究所设计的EAST，成为世界首个全超导托卡马克装置。此外，中国环流器二号A（HL-2A）、中国环流器二号M装置等托卡马克装置，由中核集团核工业西南物理研究院建设，在成都投入实验。

王志斌告诉《中国新闻周刊》，中国的可控核聚变发展，过去是跟跑，如今已和欧美并跑。一个关键节点是，2007年，中国加入国际热核聚变实验堆（ITER）计划。中国与欧盟、印度、日本、美国等，计划在法国共同建设一个世界上最大的超导托卡马克实验反应堆。其中，中国承担项目工程建设阶段18个采购包，即设备零件的制造。项目在2010年开建，计划2025年建成。

中国国际核聚变能源计划执行中心主任罗德隆曾提到，“加入ITER前，国际主流聚变会议上，几乎没有我们的声音。如今，越来越多中国学者获邀在大会作主题报告、口头报告，甚至担任会议主席”。

业内普遍认为，在ITER成功运作后，国际核聚变研究将往前一大步。但“人造太阳”离应用还有多远，或许可借用国际上流行十多年的一个玩笑来回答，“核聚变发电仅需20年，而且永远如此”。