人工核聚变，商业化有多难？

在美国国家点火设施的聚变实验中，192条激光束集中于装有重氢燃料的目标

美国能源部官员12月13日宣布，加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）首次成功在核聚变反应中，实现“净能量增益”，即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。

核聚变技术门槛高，但只需要使用地球上两种相对丰富的材料—锂和氢；如果真的商业化大规模运用，对于解决全球气候变暖有很大帮助。当前实验数据显示，大规模的核聚变应用，可以帮助各国实现2050年的“净零”排放目标。

几十年来，科学家们一直在进行核聚变反应实验，直至现在才实现“产生能量多于消耗能量”的“净能量增益”成果。这一重大突破，象征着清洁能源未来的美好前景。尽管成就显著，前方仍面临巨大的工程和科学挑战。

当重原子分裂成亚原子粒子时，结合原子的能量会被释放出来，这稱为核能。一旦反应被激活，核聚变和核裂变反应均会释放核能，可通过反应堆转化为电能等形式。

目前，全球的核电站均通过核裂变来发电，但地球上所蕴含的核裂变燃料非常有限，并且裂变反应过程中，会产生巨大的辐射，对人体造成不同程度的危害。裂变过程也会产生具有危险性的放射性废料，这些废料衰变速度极慢，储存时间可能要长达数百年。

相比之下，核聚变产生的废料，放射性较低，衰变更快，不会产生碳排放，且大多数聚变实验使用的材料氢和锂，可以从海水中低成本提取，或意味着燃料供应可以持续数百万年。

1950年代以来，科学家一直在攻关核聚变发电。而核聚变作为宇宙中最常见的反应，也是宇宙绝大部分恒星能量的来源。由于太阳就是一颗不停进行着聚变反应的火球，这项工作有时被比喻为在地球上建造一颗恒星。

2022年12月13日，美国国家核安全管理局国防项目副局长举起与此次核聚变反应类似的圆筒

强烈的激光可将胶囊加热至1亿摄氏度—这比太阳中心还热。

与核裂变原理相反，核聚变是以极高速度让两个较轻原子的微小粒子受热粉碎，并将其结合形成一个更重的粒子。当一种较轻元素（如氢）的两个原子被加热并结合形成一个更重的元素（如氦）时，核反应会产生大量可被捕获的能量。但由于两个相同的元素具有同样的正电荷，而自然地互相排斥，将其结合起来非常困难。

在太阳中，得益于约1000万摄氏度的极高温度及巨大的压力（超过地球大气压的1000亿倍），两个相同的元素可以轻易结合。而在地球上，难以维持足够长时间的高温高压。同时，由于高温高压下的聚变反应难以精确控制，“净能量增益”说易行难。

这一状况直到近日发生了变化：美国国家点火设施（NIF）的聚变实验，据称实现了“点火”—产生的聚变能量大于启动反应的激光能量，即获得“净能量增益”。

此次成功的点火实验，设施耗资35亿美元，是世界上最大、能量最高的激光系统。

据悉，此设备最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器，随后被用于推进聚变能研究，主要用于模拟与恒星内部相似的条件。

太阳的内核处于高温及巨大压力之下，这使氢原子核发生聚变形成氦核，并释放能量。而NIF的反应堆，是一个基于激光的惯性约束核聚变装置，使用强大的激光束，产生类似于恒星和巨行星的内核环境。

在此次成功实现的聚变点火中，NIF将少量氢气放入一个花椒大小的胶囊中，随后将192条激光束集中于装有重氢燃料的目标上。强烈的激光可将胶囊加热至1亿摄氏度—这比太阳中心还热，并施加相当于地球大气压1000亿倍以上的压力。在这些力的作用下，胶囊开始自行内爆，迫使氢原子融合并释放能量。

美国国家核安全局负责国防项目的副局长马文·亚当斯，在宣布这一突破时表示，实验室的激光器向目标输入了2.05兆焦耳的能量，然后产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出；实验成功地使用了192束激光，将少量的氢气转化为足够的能量，来为15—20个水壶供电。

科学家在美国国家点火设施内工作

LLNL的科学家们从1988年起，坚持研究惯性约束聚变，终于有所成就。2021年8月，NIF报告称，其实验输出了1.37兆焦耳的聚变能量，约占所用激光能量的70%，是NIF装置当时最接近“净能量增益”的时刻。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆亦表示，2022年的最新实验，开启了一种全新的清洁能源来源。“若我们能达到一定规模，将为实现零碳排放电力目标，作出一项了不起的努力。”

多数科学家均对NIF的研究成果表示欣喜，并将其描述为一个真正的突破时刻。但他们也指出，仅仅是使用激光将少量氢气转化为能量，为水壶供电这一项研究，就耗资数十亿美元。而当前实现的“净能量增益”规模，远小于实现电网供电和建筑物供暖所需的规模。

NIF的情况并非个例。总部位于英国的JET实验室在2021年12月进行的核聚变发电实验中，打破了聚变提取能量的纪录，实验在5秒钟内产生了59兆焦耳的能量（11兆瓦的功率）。虽然这较JET在1997年实现的22兆焦耳能量输出纪录增加了一倍多，但这同样不是巨大的能量输出—只够烧开大约60个水壶的水。

目前实现的主流可控核聚变的方式有两种：磁约束和惯性约束。

192条激光束所融合成的激光脉冲，峰值功率是美国所有电站峰值功率的500倍还多。

磁约束核聚变，使用特殊形态的磁场，将氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体，约束在有限的体积内，使其受控制地发生核聚变反应。这是目前正在法国建设的大型国际项目ITER（国际热核聚变实验堆）以及JET使用的反应堆类型。

美国国家点火设施内部

而惯性约束核聚变则是以高功率激光作为驱动器，即NIF所采取的实验方式。

但无论哪种方式，从现有案例来看，目前大多数所实现的核聚变提取能量实验，都是由NIF和JET等公共资助的实验室完成的。这意味着，实现“净能量增益”仍需要世界上最前沿设备的参与，同时也需要大量资源来重建能量生产所需条件：此次NIF实验中使用的192条激光束，每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光，所融合成的激光脉冲，峰值功率是美国所有电站峰值功率的500倍还多。

此外，NIF的激光效率并不高，一次实验只进行一次激光发射，而对于商业发电厂而言，可能需要一秒钟完成几次发射。更重要的是，工程师们还没有开发出将这种净能量转化为电能的机器。建造足够大规模产生聚变能的设备，需要极其难以生产的材料。

與此同时，反应产生的能量亦会给产生它的设备带来高压，以至于其可能在这个过程中被摧毁。知情人士表示，NIF此次实验的能量产出超出了预期，损坏了部分诊断设备，使得分析工作变得复杂。

重要性研究终获实质性突破，一旦核聚变能够成功商业化，或将意味着人类拥有了取之不尽的能源。但关于核聚变发电何时能够实现商业化的答案，仍存在巨大不确定性。相关研究估计，或需要20年时间，若考虑核聚变扩大规模与普及的时间，或将再延迟几十年。这无疑是一场漫长的比赛。

JET实验室相关负责人表示，聚变很复杂，也很困难，仍需要大量时间进行探索与推进。“这就是为什么我们必须确保从一代到下一代，都有科学家、工程师和技术人员能够推动事情向前发展。”

也有业内人士指出，核聚变并不是一种仅仅用于实现2050年净零排放目标的解决方案，而是一个在本世纪下半叶为社会提供动力的能源方案。据悉，ITER项目是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，得到了世界各国政府的支持，包括欧盟成员国、美国、中国和俄罗斯。

无论如何，此次由NIF实现的核聚变净能量增益，是推动清洁能源发展的重要一步。美国国家核安全局局长吉尔·赫鲁比表示：“我们已经向着一种可能彻底改变世界的清洁能源，迈出了试探性的第一步。”

责任编辑吴阳煜 wyy@nfcmag.com