核聚变能源的“春天”来了？

本文转自：科技日报

净能量增益“梅开二度”

核聚变能源的“春天”来了？

美国国家点火设施使用激光压缩燃料舱。 图片来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室

◎本报记者 刘 霞 李宏策

据英国《金融时报》网站报道，7月30日，美国加利福尼亚劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）科学家在美国国家点火装置（NIF）上开展的一项实验中，成功实现了激光驱动核聚变点火——聚变产生的能量多于激光输入的能量，继2022年12月之后，核聚变反应再次实现净能量增益！

关于美国实现的净能量增益，有媒体将其誉为本世纪以来最重大的技术突破。对此，中国工程院院士、惯性核聚变专家杜祥琬认为，该突破确实是一个重大进步，具有科学意义，但是当前离实现高增益的核聚变商业规模发电，还存在无法跨越的技术障碍。

“从提出激光驱动惯性约束聚变到现在已经过去50年，除了建造巨大激光器的技术困难以外，在惯性聚变科学问题上更是经历了几代人艰苦探索、不断深化科学规律认知的过程，所以这次NIF上实现第二次点火，意义重大。”中国科学院院士贺贤土对科技日报记者表示，但要借助该技术实现无限清洁能源的梦想，仍有很长的路要走。

核聚变优势突出

行星发动机、量子计算机、太空电梯……电影《流浪地球2》中的“硬核”科技元素让人叹为观止，而行星发动机推动地球利用的正是可控核聚变技术。

太阳之所以有源源不断的能量，就在于其内部一直在进行大量的核聚变。核聚变是两个轻量元素的原子核聚合到一起，同时释放巨大能量的核反应。太阳内部的日核区温度极高、压强极大，使核聚变反应持续发生。

核聚变的“燃料”易于获取，不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射，也不会产生放射性废物。因此，核聚变被认为有望提供近乎无限的清洁能源。一旦实现核聚变商业规模发电，将一举解决困扰全人类的能源紧缺问题，为应对气候变化、保护环境和解决贫困与发展问题注入不竭动力，从而改变人类的未来。

贺贤土指出，核聚变具有三大优势。首先，原料储量巨大，在核聚变中相对容易实现的是氘-氚聚变反应，海水中蕴藏了几乎取之不尽的氘，取一矿泉水瓶（约550毫升）的海水可提取约0.015克氘；而中子与锂-6作用可产生氚，海水和陆地中锂-6蕴藏量丰富，也几乎取之不尽。其次，核聚变反应不排放碳，也不会产生任何长期放射性废物。氘—氚聚变反应的最终产物是氦和携带大量能量的中子，不会造成任何污染，对环境很友好。最后，与核裂变不同，核聚变中，在物理上不可能发生类似切尔诺贝利或福岛事故的事件，因为一旦发生故障，反应就会自行熄灭。

然而，核聚变反应极为剧烈，想要捕捉太阳之火，驾驭恒星的能量，最大的难点在于实现核聚变的稳定可控，即控制核聚变的速度和规模，以实现安全、持续、平稳的能量输出。可控核聚变已然成为实现能源用之不竭终极梦想的可能途径。

可控核聚变的两条技术路线

目前，在地球上实现可控核聚变主要有激光惯性约束和磁约束核聚变两大技术路线。

激光惯性约束核聚变是采用激光作为驱动器压缩氘氚燃料靶球，在高密度燃料等离子体的惯性约束时间内实现核聚变点火燃烧。这也是美国LLNL采取的技术路线。

磁约束核聚变是采用强磁场约束等离子体的方法，把核聚变反应物质控制在“磁笼子”里。托卡马克装置是实现磁约束核聚变的理想容器，国际热核聚变实验反应堆计划（ITER）的目标就是建造最大、最复杂的托卡马克装置，以验证核聚变能源的科学和工程可行性。

自2022年以来，美国不断传来好消息，LLNL在激光惯性约束核聚变实验中两次实现净能量增益。在可控核聚变的两种技术路线中，激光惯性约束似乎更具前景。情况真的如此吗？

再次实现净能量增益

2022年12月，LLNL研究人员取得了一个具有里程碑意义的历史性成就：聚变反应产生的能量超过了输入的能量。在该实验室的NIF激光能量驱动下，含氘氚靶球产生足够的热量和压力，将氢的同位素氘和氚转化为可发生核聚变的等离子体。NIF输出了2.05兆焦耳的激光能量，反应产生的能量约为3.15兆焦耳，燃烧了靶球中约4.7%的氘氚装量。虽然这些数字远未达到商业核聚变反应堆的要求，但它为利用聚变反应堆发电带来了至关重要的希望。

今年7月30日，该实验室再次实现了点火，而且，反应堆产生了约3.5兆焦耳的能量输出。

LLNL发言人8月7日接受《新科学家》杂志采访时表示，目前他们正进行分析，并计划在即将举行的科学会议上提交最终结果。

激光惯性约束仍面临“拦路虎”

这意味着核聚变发电“梦想照进现实”了吗？《新科学家》杂志网站在报道中一针见血地表示，还没有。

贺贤土解释称，要使聚变反应输出的能量高于激光器输入的能量，需要改善激光器的性能。目前，NIF激光器本身效率极低。电能变为激光的能量效率约为0.5%，为产生2.1兆焦耳的光能，激光束至少需要提供大约400兆焦耳的能量。此外，NIF激光输出一次只能点火一次，且持续时间仅为几十亿分之一秒，然后必须冷却几小时才能再次启动。而商业反应堆需要每秒点火多次。

“为使激光惯性约束聚变应用于能源，科学家们面临的一个重大挑战是建造高效、高重复频率的新型激光器，同时大幅提高靶球中的氘氚燃烧效率，创造一个聚变反应输出能量数倍于激光提供的能量的条件。”贺贤土强调。

未来任重而道远

英国伦敦帝国理工学院等离子体物理学教授杰里米·奇滕登指出，此次具有里程碑意义的点火有效地证明核聚变科学是合理的，并使科学家们面临的问题成为工程问题而非物理问题。贺贤土说：“虽然LLNL反应堆的效率会进一步提高，但要使这种设计商业化，还需要进行根本性的改变，因为这是一种将激光能量转换为热X射线后，加热含氘氚燃料靶球进而驱动内爆的间接驱动方法，靶球接受的能量少，效率低。”

激光惯性约束聚变还包括激光直接作用靶面的直接驱动方法和最近提出的混合驱动方式。后者充分利用间接和直接驱动优点，克服了相应缺点。这两种方法的激光利用率高，而NIF激光器结构只适用于间接驱动方法。

不过，贺贤土也指出，对于惯性约束聚变来说，除产生能源以外，目前更重要的是用于国家安全研究和高能量密度科学研究，后者为认识天体现象、高压下材料特性以及新材料研究、先进的激光加速器等高技术研究等方面提供了十分重要的基础。

其实，除了激光惯性约束核聚变，中国、欧盟自去年以来在磁约束核聚变领域也在不断取得突破。ITER组织副总干事罗德隆介绍，中国HL-2M托卡马克创造了等离子体电流超过100万安培的运行纪录，中国全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）成功实现稳态高约束模式等离子体运行403秒纪录，欧盟JET项目实现在连续5秒的时间内产生59兆焦耳能量。“这些进展也坚定了全球对磁约束可控核聚变的信心。”罗德隆表示。

但是奇滕登也明确强调一点：聚变反应堆至少还有很多年才能投入使用，人类或许不能依靠这项技术来解决当前的气候变化危机，在中短期内，清洁和丰富的能源只可能来自可再生能源。

谈及核聚变的未来，罗德隆的判断是，到本世纪中叶即有可能迈出聚变能源的第一步。当然，能发电和大规模的商业应用之间还有一定的距离，但能够证明这条路线的可行性。“自人类最早提出托卡马克核聚变装置，到托卡马克实现商业发电，乐观估计也需要整整一个世纪。一代又一代的科学家和工程技术人员全身投入其中，很多人无法看到核聚变商用的繁荣景象，但对未来的共同期待和愿景，对核聚变定能成功带来无限清洁能源的信念，推动着人类向真正实现能源独立不断迈进。”罗德隆说。