中國儲能網(wǎng)訊：宇宙中，太陽以及其他恒星內(nèi)部源源不斷的能量，是通過“核聚變”方式產(chǎn)生的。核聚變是兩個輕原子核聚合，生成新的更重原子核的過程，其反應(yīng)釋放的能量巨大，且不排放二氧化碳，與核裂變相比，它既不產(chǎn)生核廢料，輻射也極少，因此被稱為人類的終極能源。日前，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室國家點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)了人類歷史上首次激光可控核聚變點(diǎn)火：實(shí)驗(yàn)輸入2.05兆焦耳激光能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳聚變能量輸出（大約是電動汽車行駛10公里所需的能量），實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”。這是人類能源史上的重大突破，從科學(xué)原理和工程技術(shù)上驗(yàn)證了未來核聚變能源的可行性，開啟了人類進(jìn)入清潔能源時(shí)代的大門。
能源自由 可控核聚變
1905年，愛因斯坦發(fā)表了論文《論動體的電動力學(xué)》，建立了狹義相對論，推導(dǎo)出了物理學(xué)史上最著名的方程E=mc2，能量（E）等于物質(zhì)的質(zhì)量（m）乘以光速（c）的平方。這個方程告訴人們，如果能夠把物質(zhì)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，將可以獲得巨大的能量收益。1克靜止物質(zhì)對應(yīng)的能量相當(dāng)于2.1萬噸TNT炸藥爆炸釋放的能量。
隨著后來的研究，人們發(fā)現(xiàn)原子核與原子核或原子核與中子等粒子相互作用產(chǎn)生新原子核的過程中，就會出現(xiàn)質(zhì)量虧損的現(xiàn)象，虧損的小部分質(zhì)量會以巨大的能量形式向外釋放，這個過程被稱為核反應(yīng)。
核裂變是一個重原子核分裂為兩個或多個較輕原子核的過程，裂變后原子核和粒子的總質(zhì)量小于裂變前原子核和粒子的質(zhì)量之和，質(zhì)量能量轉(zhuǎn)化，裂變過程發(fā)出巨大能量。原子彈爆炸、核電站等都是利用了核裂變原理。
而核聚變是兩個輕原子核融合為一個較重原子核的過程，聚變前后同樣存在質(zhì)量差，質(zhì)量能量轉(zhuǎn)化，聚變過程釋放巨大能量。太陽等恒星內(nèi)部產(chǎn)生的能量主要來自核聚變過程，氫彈的巨大放能也來自聚變過程。
相對于核裂變，核聚變的燃料都是輕元素。如氫的同位素（氘D，氚T），氘和氚聚變是自然界最容易發(fā)生的聚變，目前可控核聚變研究采用氘和氚為聚變?nèi)剂稀：司圩兡軌蛴蒙倭康娜剂鲜斋@巨大的能量。據(jù)估計(jì)，如果要獲得相同的能量，需要的核聚變氘氚燃料，核裂變235U燃料和煤炭的質(zhì)量之比約為1:4:8000000。換句話說，一克氘氚燃料聚變所獲得的能量就相當(dāng)于燃燒8噸石油才能產(chǎn)生的能量。
20世紀(jì)50年代，人類開始探索在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)核聚變，即可控核聚變。然而，這卻是一件非常困難的事情——原子核帶正電，它們之間存在很強(qiáng)的排斥力，要讓聚變發(fā)生，原子核必須具有極高的動能才能夠克服排斥力，這要求燃料需要被加熱到超過1億攝氏度的高溫。要讓足夠多的聚變發(fā)生，單位體積中的原子核數(shù)目必須大，這樣原子核之間才能夠頻繁地碰撞、發(fā)生聚變。當(dāng)然，讓原子核長時(shí)間處于能夠發(fā)生聚變的狀態(tài)，可以獲得更多的聚變能量。正是上述原因，一個系統(tǒng)的聚變性能與原子核平均動能（溫度）、原子核數(shù)密度（密度）和原子核處于能夠發(fā)生聚變狀態(tài)的時(shí)間（約束時(shí)間）三者直接相關(guān)。
幾十年來，科學(xué)家們已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步，但仍然沒有能夠達(dá)到足以商用發(fā)電的水準(zhǔn)，甚至曾一直沒有實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量的能量增益。這是因?yàn)闆]有任何一種容器可以承受超過一億攝氏度的高溫，并且在如此高的溫度下，氘氚燃料呈現(xiàn)出電子和原子核分離的混合狀態(tài)，被稱為等離子體態(tài)。等離子體態(tài)下的物質(zhì)在內(nèi)部會產(chǎn)生復(fù)雜的電磁場和不穩(wěn)定性，使得科學(xué)家無法準(zhǔn)確預(yù)測它的狀態(tài)，進(jìn)而難以將這樣一個洪水猛獸約束在人類設(shè)計(jì)的牢籠中并達(dá)到聚變條件。
然而，研究沒有停止。因?yàn)橐坏?shí)現(xiàn)可控核聚變，人類將徹底掙脫能源束縛：
——人類將實(shí)現(xiàn)能源自由：聚變?nèi)剂想诤Ｑ笾写罅看嬖?，取之不盡用之不竭；雖然氚不存在于自然界中，但可以通過地球富含的鋰元素轉(zhuǎn)化為氚。并且，除了氘氚聚變，科學(xué)家們也尋找到了大量的替代方案，如氫硼聚變，氘氘聚變等，都有望成為可控核聚變的燃料。
——人類將獲得能源安全：可控核聚變堆中沒有用來制造核武器的濃縮放射性材料（如钚，鈾等），并且一旦約束失敗，不穩(wěn)定的等離子體會在極短的時(shí)間內(nèi)冷卻，不會發(fā)生核災(zāi)難。
——人類將使用清潔能源：可控核聚變的產(chǎn)物主要是中子和惰性元素氦，并不會產(chǎn)生二氧化碳造成溫室效應(yīng)，也不會產(chǎn)生對環(huán)境造成巨大影響的放射性廢物。
為了實(shí)現(xiàn)可控核聚變、控制住“情緒陰晴不定”的高溫等離子體，科學(xué)家們構(gòu)思出了兩種方案：一種是利用磁場約束帶電的等離子體，在低密度下運(yùn)行盡量長的時(shí)間實(shí)現(xiàn)核聚變能量增益，被稱為磁約束聚變；第二種是將氘氚燃料存放在一個微小的靶丸中，利用多束強(qiáng)激光或轉(zhuǎn)化為X光燒蝕反沖壓縮燃料靶丸在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度的核聚變，而一億分之一秒之后，利用燃料向外爆炸的慣性而停止燃燒，被稱之為慣性約束聚變，也稱激光聚變。
磁約束聚變由蘇聯(lián)科學(xué)家托卡馬克提出，它被設(shè)計(jì)成一個甜甜圈的形狀，通過設(shè)計(jì)磁場在甜甜圈的內(nèi)部約束聚變等離子體，有望在高溫低密的條件下實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的運(yùn)行。2022年，中國托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)了在7000萬攝氏度的溫度下持續(xù)放電1000秒，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄但仍未獲得能量增益。2006年，歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國七方正式簽署聯(lián)合實(shí)施協(xié)定，開始共同建造國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），其目標(biāo)正是驗(yàn)證和平利用聚變能的科學(xué)和技術(shù)可行性。但I(xiàn)TER計(jì)劃在進(jìn)展過程中遇到了不小的困難，今年提出再度延期，可能會比計(jì)劃推遲10年以上。
激光慣性約束聚變就是美國國家點(diǎn)火裝置采用的方案?？茖W(xué)家使用192束激光將2.05MJ能量注入內(nèi)壁為金涂層的圓柱體黑腔，轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈的X射線均勻照射到中心裝填有氘氚聚變?nèi)剂系那蛐伟型?，在靶丸表面形成高溫高壓等離子體，利用反沖擊力，驅(qū)動燃料向心聚爆，壓縮和加熱聚變?nèi)剂系入x子體至高溫度高密度狀態(tài)，達(dá)到聚變點(diǎn)火條件，在10億分之一秒的時(shí)間內(nèi)，釋放了3.15MJ的聚變能量。這首次實(shí)現(xiàn)了聚變能量大于輸入能量超過54%的凈能量收益，標(biāo)志著人類在實(shí)現(xiàn)可控核聚變這一“終極能源”的道路上邁出了至關(guān)重要的一步，是實(shí)現(xiàn)清潔能源的里程碑。
曲折發(fā)展 65年實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火
此次慣性約束聚變里程碑式的成功，再次點(diǎn)燃了人們對可控核聚變的熱情。但很多人不知道的是，從基本構(gòu)想到如今真正實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，慣性約束聚變經(jīng)歷了65年的曲折發(fā)展。
早在20世紀(jì)50年代后期，慣性約束聚變的構(gòu)想就被提出，即利用微型炸藥或強(qiáng)X-ray輻射驅(qū)動激波來壓縮加熱很小質(zhì)量的氘氚燃料（毫克以下），使其達(dá)到高溫高密的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)非裂變的聚變點(diǎn)火，隨后利用聚變放能加熱水，產(chǎn)生的蒸汽為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)提供動力，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層面的發(fā)電。
20世紀(jì)60年代早期，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家納科爾斯（Nuckolls）及其合作者用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬了1毫克氘氚燃料的內(nèi)爆點(diǎn)火：通過輸入5兆焦的能量可以實(shí)現(xiàn)50兆焦的聚變放能，達(dá)到10倍的增益。隨后經(jīng)過對能量注入以及靶丸的優(yōu)化，高增益聚變點(diǎn)火的驅(qū)動能量能被降低到1兆焦，而實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火只需要1千焦的驅(qū)動能量。此結(jié)果從理論和模擬中說明了慣性約束聚變的可行性，并且定量地給出了實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火以及高增益聚變的驅(qū)動能量，實(shí)現(xiàn)高增益慣性約束聚變點(diǎn)火的關(guān)鍵已經(jīng)轉(zhuǎn)化為了尋找在極短時(shí)間內(nèi)（約一億分之一秒）提供1千焦甚至1兆焦能量的驅(qū)動源。然而理想很美好，現(xiàn)實(shí)卻很殘酷——1千焦就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火是在完全理想的條件下得到的。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，由于各種不穩(wěn)定性、驅(qū)動不對稱性等的存在，這一模擬并未成為現(xiàn)實(shí)。
20世紀(jì)70年代末期，隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，高功率激光作為驅(qū)動源讓可控慣性約束聚變從理論走向了實(shí)際?？傒敵瞿芰窟_(dá)到10千焦的Shiva激光器被首先建立起來，用于在較小驅(qū)動能量下進(jìn)行聚變原理驗(yàn)證，但由于Shiva激光器采用的是紅外激光（波長1053納米），激光注入能量后，激光等離子體參量不穩(wěn)定性顯著，產(chǎn)生大量的超熱電子預(yù)熱了氘氚靶丸，降低了對稱性與靶丸壓縮，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到聚變點(diǎn)火的條件。1984年，采用3倍頻、波長為351納米的Nova激光器建造投入使用，激光能量達(dá)到40千焦—45千焦，聚變實(shí)驗(yàn)如火如荼地進(jìn)行，但由于不同激光束之間能量存在巨大差異導(dǎo)致嚴(yán)重的成絲和驅(qū)動不對稱性，最終還是走向失敗。盡管Shiva和Nova激光器點(diǎn)火原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)沒有成功，但研究人員對內(nèi)爆過程有了更深入的了解，前進(jìn)的道路再次變得清晰：即增強(qiáng)輻照均勻性，降低燃料層的瑞利—泰勒不穩(wěn)定性，并將驅(qū)動的激光能量增加至少一個數(shù)量級。
由此，美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）應(yīng)運(yùn)而生。NIF是世界上最大的激光驅(qū)動慣性約束聚變裝置，于1997年開始建造，2009年正式建成投入使用，耗資約35億美元，有三個足球場的大小，可以將2兆焦的能量通過192路激光束聚焦到2毫米的空間范圍內(nèi)，從而將燃料壓縮到太陽內(nèi)核以及核爆炸的溫度和壓力，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。盡管從驅(qū)動能量層面來看，NIF已經(jīng)完全達(dá)到聚變點(diǎn)火的要求，但是從2010年10月首次進(jìn)行集成點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，到2022年12月真正實(shí)現(xiàn)可控聚變點(diǎn)火，也經(jīng)歷了12年，面臨大量質(zhì)疑與批評。
這12年，科學(xué)家們從5000多次失敗中不斷完善和修正實(shí)驗(yàn)。從2010年到2012年，NIF啟動NationalIgnitionCampaign（NIC）進(jìn)行一系列點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，但是由于缺乏對大能量激光器強(qiáng)輻射驅(qū)動的預(yù)測能力，以及沒有細(xì)致考慮參量不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性引起驅(qū)動不對稱性與燃料混合，最終實(shí)際達(dá)到壓強(qiáng)只有聚變所需壓強(qiáng)的1/3，在輸入能量為1.8兆焦的條件下，輸出能量只有約2.5千焦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到聚變點(diǎn)火的要求；隨后2013年10月，通過對激光脈沖整形的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)提前對靶丸進(jìn)行適度預(yù)熱，降低其內(nèi)部的不均勻性，NIF實(shí)現(xiàn)了燃料增益層面的點(diǎn)火（氘氚燃料的動能為10千焦，聚變放能為14千焦）。當(dāng)然，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到真正意義上的點(diǎn)火，聚變放能遠(yuǎn)小于激光驅(qū)動能1.8兆焦（14千焦的放能只相當(dāng)于一個60瓦的燈泡亮5分鐘消耗的能量）。之后，NIF在理論預(yù)測、實(shí)驗(yàn)以及精密加工技術(shù)層面進(jìn)行了大量規(guī)律摸索與細(xì)致調(diào)整，優(yōu)化激光脈沖與能量，量化黑腔結(jié)構(gòu)與尺寸，細(xì)化靶丸組成與大小，聚變放能得到穩(wěn)步的提升。2021年8月8日，NIF終于在實(shí)驗(yàn)中接近了點(diǎn)火閾值，到達(dá)了聚變點(diǎn)火的門檻，輸入激光能量1.9兆焦，聚變放能1.37兆焦，能量增益達(dá)到0.72，同時(shí)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)是與100萬億分之一秒內(nèi)發(fā)生的鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)一致，對應(yīng)的放能功率達(dá)到了超過10千萬億瓦（世界用電平均總功率約為32.5千億瓦）。在經(jīng)歷了多輪重復(fù)失敗的實(shí)驗(yàn)之后，經(jīng)過對激光能量的進(jìn)一步提升以及對靶丸燒蝕層厚度的微調(diào)，在2022年12月5日，NIF終于實(shí)現(xiàn)了能量增益大于1，實(shí)現(xiàn)了真正的聚變點(diǎn)火。
繼續(xù)探索 “終極能源”何時(shí)實(shí)現(xiàn)
人類歷史上首次激光可控核聚變點(diǎn)火，是科學(xué)研究領(lǐng)域的一個重大突破，證明了在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)可控核聚變的可行性，也為聚變能源的實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)——從單純追求點(diǎn)火邁入到探索更高能量增益的聚變方案，最后在應(yīng)用層面上實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電，獲得近乎取之不盡用之不竭的終極能源。
但是，每一次聚變實(shí)驗(yàn)的突破都是在科學(xué)認(rèn)知和工程技術(shù)上挑戰(zhàn)人類極限，要真正實(shí)現(xiàn)從科學(xué)層面上的點(diǎn)火到應(yīng)用層面上的聚變能源仍然是長路漫漫，困難重重。
從能量轉(zhuǎn)化的角度來看，科學(xué)實(shí)驗(yàn)層面能量增益大于1可以確認(rèn)聚變點(diǎn)火的可行性，而工程增益大于1才是聚變能源應(yīng)用于實(shí)際需求的必要基礎(chǔ)。以NIF實(shí)驗(yàn)為例，其使用電能為322兆焦，激光能量為2.05兆焦，聚變放能為3.15兆焦，此時(shí)科學(xué)增益為1.54——大于1說明了科學(xué)層面的點(diǎn)火成功，但是工程增益僅約為0.98%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。因此盡管我們實(shí)現(xiàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究層面上聚變點(diǎn)火，但從工程上講，需要提高至少100倍的能量轉(zhuǎn)化效率，才能說是實(shí)現(xiàn)了可控核聚變發(fā)電，獲得真正清潔、無限供應(yīng)的能源。
除了能量轉(zhuǎn)化效率和增益有待提高外，NIF的硬件層面，包括激光器的穩(wěn)定性和重頻以及靶丸的材料和結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)一步提升和優(yōu)化。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家在慣性約束聚變能源白皮書中也指出“目前NIF仍然存在激光脈沖質(zhì)量不穩(wěn)定、間接驅(qū)動靶昂貴脆弱等問題”，牛津大學(xué)物理學(xué)教授賈斯汀·沃克教授在英國科學(xué)媒體中心上發(fā)表評論稱：“這確實(shí)是一個很大的進(jìn)步，但我們還需要更多。首先，盡管近年來制造高效激光器的技術(shù)也取得了飛躍，但仍需要得到更多投入，以解決產(chǎn)生激光等方面的損耗；其次，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室原則上每天大約可以產(chǎn)生一次這種結(jié)果，而聚變發(fā)電廠則需要每秒產(chǎn)生十次。”
中國的慣性約束聚變研究起步稍晚，但也在蓬勃發(fā)展，間接驅(qū)動方案已經(jīng)在國內(nèi)大型激光裝置上完成了理論驗(yàn)證，并且大量研究聚變中基礎(chǔ)物理的分解實(shí)驗(yàn)也已完成，研究人員對慣性約束聚變的認(rèn)識達(dá)到了世界前沿水平。同時(shí)，中國工程物理研究院賀賢土院士和中國科學(xué)院張杰院士都分別提出了新的皮實(shí)性更好和高增益的聚變點(diǎn)火方案。在如今可控核聚變翻開新篇章的背景下，中國的激光聚變研究者既要仰望星空，優(yōu)化更皮實(shí)的激光聚變點(diǎn)火方案，探尋工程上聚變能源的實(shí)際應(yīng)用；又需要腳踏實(shí)地，學(xué)習(xí)研究理解復(fù)雜聚變系統(tǒng)的物理真實(shí)，通力合作，爭取實(shí)現(xiàn)激光可控核聚變領(lǐng)域的“彎道超車”。
從目前來看，要建成商業(yè)核聚變電站，實(shí)現(xiàn)真正意義上的聚變能源應(yīng)用仍需幾十年的努力。不僅需要科研工作人員的探索，還需要產(chǎn)業(yè)界的支持、公眾的投入與認(rèn)可等，如此，終極能源才能真正走向現(xiàn)實(shí)。
（作者：喬賓，系北京大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院院長、物理學(xué)院博雅特聘教授）
