“可控核聚变能源”开启人类无限能源之梦

本文转自：人民政协报

作者：段旭如

2022年12月13日，美国能源部宣布，由美国政府资助的劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置（NIF）于12月5日实现了聚变输出能量大于激光输入能量，即聚变增益超过1的可控核聚变反应。这是人类历史上首次实验获得超过外部驱动能量的聚变能量输出。

可控核聚变能源具有资源丰富、环境友好、固有安全等优点，是目前认识到的可最终解决全球能源和环境问题，推动人类社会可持续发展的重要途径之一。实现可控核聚变主要包括惯性约束和磁约束聚变两条技术路线。NIF本次实验取得的进展是可控核聚变科学技术发展的一个重要里程碑，提升了人们对激光惯性约束聚变研究的信心。

在本次实验中，NIF研究团队使用激光打靶，即激光惯性约束聚变的方式，采用192道强激光束，输入的激光能量为2.05兆焦耳。强激光束被注入黑腔后将产生X射线，这些X射线被聚焦辐照在内置氘氚燃料靶丸之上，靶丸表面热物质向外喷发反向压缩燃料，形成上亿度高温和极高压的核聚变条件，获得了3.15兆焦耳的聚变能输出。

人类要实现可控核聚变，在科学和工程技术上面临巨大挑战。

严格意义上的聚变点火要求，是仅靠聚变本身产生的阿尔法粒子自加热来抵消聚变堆内的辐射损失和热传导损失功率，维持聚变堆运行而不需投入任何外部加热。点火条件的一个核心指标是聚变“三乘积”，即等离子体的离子温度、密度与能量约束时间三者的乘积。要达到点火条件，聚变“三乘积”至少应达到51021m-3keVs。当然，要作为未来能源使用，聚变堆还需要解决聚变等离子体长时间稳定运行、氚燃料自持、耐高温抗辐照聚变堆材料、能量提取等问题。

美国NIF装置取得的突破令人鼓舞，势必会在全球掀起新一轮研究热潮。我国可控核聚变研究几乎与国际同时起步。

而磁约束核聚变研究始于20世纪50年代，其通过磁场来约束处于极高温下的聚变燃料,将足够多的燃料在极端高温条件下约束足够长时间,由此实现核聚变反应,产生聚变能。半个世纪以来，国际上探索了箍缩、磁镜、仿星器、球马克、托卡马克等众多磁约束核聚变路线，当前以托卡马克路线技术最为成熟，美国、欧盟已于20世纪90年代实现可控氘氚聚变功率输出，欧洲联合环（JET）装置于2021年实现59兆焦耳聚变能量输出，为国际热核聚变实验堆（ITER）计划的实施奠定坚实基础。ITER计划是全球规模最大、影响最深远的国际合作项目之一,其目的就是希望通过国际合作共同努力, 建造一座核聚变反应堆，以验证人类利用磁约束可控核聚变能的科学和工程技术可行性。目前ITER已进入工程装配阶段，意味着国际首个电站规模的聚变堆即将成为现实。

我国的磁约束聚变研究与国际基本同步，近年来，我国托卡马克实验取得多项进展，如中国环流器二号A(HL-2A)装置归一化比压突破3，东方超环（EAST）实现了千秒量级长脉冲运行等。特别是2020年建成的新一代“人造太阳”HL-2M是我国目前规模最大、参数最高的磁约束核聚变研究大科学装置平台。2022年，HL-2M装置创造了国内等离子体运行新纪录，等离子体电流达到115百万安培，意味着该装置未来可以在超过1兆安培的等离子体电流下常规运行，开展前沿科学研究，对我国深度参与ITER实验及自主设计运行聚变堆具有重要意义。

进入21世纪以来，可控核聚变研究接连取得重要突破，随着科技不断进步，核聚变能源有望在本世纪中叶造福人类。核聚变能一旦实现商用，地球上的能源将取之不尽用之不竭，因能源消耗带来的环境问题及能源短缺带来的社会问题有望得到根本解决，人们的生活和科技水平也将因此而得到极大提高。