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美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的這次核聚變釋放出的能量相當(dāng)于0.875度電，可以給一個(gè)使用4000毫安時(shí)電池的手機(jī)充電40次

美國國家核安全管理局副局長Marvin Adams在新聞發(fā)布會(huì)上發(fā)言

文 | 韓舒淋 江帆

編輯 | 馬克

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月13日，在經(jīng)過一天的預(yù)熱之后，美國能源部 （DOE） 、美國國家核安全管理局 （NNSA） 、美國勞倫斯·利弗莫爾 （LLNL） 國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會(huì)，宣布在12月5日的一次實(shí)驗(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了聚變能量超過輸入能量，聚變反應(yīng)的能量增益 （Q） 大于1。

具體而言，這次反應(yīng)通過激光器輸入了2.05兆焦耳能量，引發(fā)聚變反應(yīng)釋放了3.15兆焦耳能量，Q達(dá)到1.54。這是人類歷史上首次在受控核聚變實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)這一成就，對(duì)于受控核聚變研究而言是一個(gè)重要里程碑，該消息也引發(fā)了廣泛關(guān)注。但這一技術(shù)要走向商業(yè)化，變成成熟的發(fā)電技術(shù)，依然還十分遙遠(yuǎn)。換言之，在可見的未來，它還不會(huì)對(duì)人類應(yīng)對(duì)氣候變化問題帶來實(shí)際貢獻(xiàn)。

美國能源部部長詹妮弗·格蘭霍姆在當(dāng)天的發(fā)布會(huì)上稱，這是21世紀(jì)最重要的科學(xué)成就之一。她還在發(fā)布會(huì)上強(qiáng)調(diào)，這有助于美國在沒有核試驗(yàn)的情況下維持核威懾。

勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的聚變裝置采用的是慣性約束核聚變技術(shù)路線，利用高功率激光來驅(qū)動(dòng)核聚變，其裝置名為“國家點(diǎn)火裝置” （NIF） ，占地三個(gè)橄欖球場大小，是全球最大的激光裝置。慣性約束核聚變也是當(dāng)前人類進(jìn)行受控核聚變研究的兩種技術(shù)路線之一。

另一種主流技術(shù)路線是磁約束核聚變，也是參與國家更多、研究更廣泛技術(shù)路線，一般通過建設(shè)環(huán)形的托卡馬克裝置，通過磁場來約束等離子體，實(shí)現(xiàn)受控核聚變。

聚變由于其發(fā)生原理和恒星內(nèi)部的反應(yīng)類似，受控核聚變也被稱作“人造太陽”，數(shù)十年來一直是人類追求的終極能源解決方案。目前主流的技術(shù)方案中，一般使用氫的同位素氘、氚作為燃料，發(fā)生核融合反應(yīng)，產(chǎn)生出氦和中子，并釋放出能量。

當(dāng)前的核電站以鈾為主要燃料，通過核裂變反應(yīng)來產(chǎn)生能量。相比核裂變，核聚變產(chǎn)生的核廢料半衰期短，安全性高，燃料來源充足，并且同樣不會(huì)產(chǎn)生碳排放。但受控核聚變的技術(shù)和工程都還面臨許多挑戰(zhàn)，技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性都還需要漫長的探索過程，因而也常被戲言為“永遠(yuǎn)要50年”才能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。

中核集團(tuán)聚變堆技術(shù)首席專家、核工業(yè)西南物理研究院原院長段旭如對(duì)《財(cái)經(jīng)十一人》表示，從聚變研究角度來說，利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的成就是一個(gè)重大突破，實(shí)現(xiàn)能量增益超過1很不容易，磁約束核聚變和慣性約束核聚變研究都在追求這一目標(biāo)。以后聚變要實(shí)現(xiàn)能源利用，增益因子要比1大很多，但第一步重要突破就是要大于1。

中核集團(tuán)下屬的核工業(yè)西南物理研究院位于成都，目前運(yùn)行有磁約束核聚變研究裝置中國環(huán)流器二號(hào)A （HL-2A） 和中國環(huán)流二號(hào)M （HL-2M） ，與位于合肥的中科院合肥研究院等離子體所的東方超環(huán)（EAST）裝置，是我國主要的磁約束核聚變研究裝置。

段旭如介紹，在磁約束核聚變研究領(lǐng)域，此前只有日本的JT-60上實(shí)現(xiàn)過等效聚變功率增益因子超過1。所謂等效功率增益因子，是因?yàn)楹司圩冏罱K用氫的同位素氘 （D） 、氚 （T） 反應(yīng)，而JT-60實(shí)驗(yàn)中采用了氘、氘融合，根據(jù)其結(jié)果推斷如果把部分氘換成氚，發(fā)生反應(yīng)能產(chǎn)生多少聚變功率，所以是等效因子。另外，在歐洲聯(lián)合環(huán) （JET） 裝置上實(shí)現(xiàn)了59兆焦耳的聚變能量，其增益因子不到1。而此次美國利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)火裝置的實(shí)驗(yàn)，是人類首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)聚變增益因子超過1。

如何點(diǎn)火

美國國家核安全管理局 （NNSA） 負(fù)責(zé)國防項(xiàng)目的副局長Marvin Adams在發(fā)布會(huì)上介紹了國家點(diǎn)火裝置所采用激光核聚變的技術(shù)原理：在一個(gè)圓柱形腔體內(nèi)，有一顆直徑大約是BB彈一半的球形燃料膠囊，其中是聚變?nèi)剂?。圓柱體兩側(cè)用192束高能量激光打入圓柱體的內(nèi)壁，內(nèi)壁反射出的X光再擊中球形的燃料膠囊，膠囊內(nèi)的聚變?nèi)剂鲜艿綌D壓，產(chǎn)生聚變。產(chǎn)生能量所需的時(shí)間，比光傳播1英寸的時(shí)間還短。

激光聚變效果圖，激光在腔體內(nèi)壁反射出X光，然后沖擊燃料，引發(fā)聚變。來源：LLNL

綜合當(dāng)日新聞發(fā)布會(huì)及隨后技術(shù)圓桌上參與實(shí)驗(yàn)專家講述的信息，這次聚變中，大約4%的聚變?nèi)剂习l(fā)生了反應(yīng)。在這次聚變中，激光能量提供了2.05兆焦耳 （MJ） 的能量，釋放出了3.15兆焦耳 （MJ） 能量，其能量增益達(dá)到了1.54。

若按電力來比較，每千瓦時(shí)電力的能量相當(dāng)于3.6兆焦耳。換言之，此次核聚變釋放出的能量相當(dāng)于大約0.875度電，大約可以給一個(gè)使用4000毫安時(shí)電池的手機(jī)充電40次。

據(jù)參與實(shí)驗(yàn)的專家回憶，此次聚變實(shí)驗(yàn)室在12月5日凌晨1時(shí)零3分發(fā)生，隨后實(shí)驗(yàn)人員開始了數(shù)據(jù)分析工作，也邀請(qǐng)了外部專家團(tuán)隊(duì)來進(jìn)行同行評(píng)估，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，因此在實(shí)驗(yàn)一周后才正式發(fā)布信息。

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置。來源：LLNL

商業(yè)化還要幾十年

此次聚變實(shí)驗(yàn)盡管突破意義重大，但這一大型激光裝置本身效率很低，驅(qū)動(dòng)激光裝置的系統(tǒng)能耗高達(dá)322兆焦耳，轉(zhuǎn)換成2.05兆焦耳的激光器輸入能量，然后再激發(fā)出3.15兆焦耳的聚變能量。因此，如果考慮整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，還不到1%。

因此，它不僅尚不穩(wěn)定，在工程意義上也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)能量的增益，離成為可利用的恒源還十分遙遠(yuǎn)。

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室主任Kimberly Budil在發(fā)布會(huì)上面回答多久能商業(yè)化的問題表示，商業(yè)化在科學(xué)上和工程上都還面臨許多障礙，這次是成功讓一顆燃料點(diǎn)火一次，要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化核聚變，需要每分鐘實(shí)現(xiàn)很多次點(diǎn)火，需要有一個(gè)穩(wěn)固的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，也許不需要經(jīng)常說的50年，但也需要幾十年來投入研究才能建成一個(gè)商業(yè)聚變發(fā)電站。

勞倫里·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室慣性聚變能源機(jī)構(gòu)主管Tammy Ma在當(dāng)日的技術(shù)圓桌中也回應(yīng)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量效率問題，她表示，國家點(diǎn)火裝置是一個(gè)科學(xué)研究裝置，它的建設(shè)初衷和建一座電站不同，讓每個(gè)設(shè)備效率發(fā)揮到極致，并不是設(shè)計(jì)考慮的優(yōu)先事項(xiàng)。因此，提高激光供能的設(shè)備效率，對(duì)于一個(gè)科學(xué)研究設(shè)施來說，并不是最關(guān)鍵的。另外，裝置已經(jīng)有了20年歷史，有許多20世紀(jì)八、九十年代的技術(shù)，其后許多新的模擬、材料、算法等技術(shù)也不斷發(fā)展，更新到了裝置之中。

曾在勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室任過高級(jí)顧問的美國Carbon Direct首席科學(xué)家Julio Friedmann的一個(gè)評(píng)論頗為精當(dāng)，他表示，現(xiàn)在的突破和商用核聚變的差距，就好比點(diǎn)燃了一根火柴到造出內(nèi)燃機(jī)的差距，但這是能源多元化創(chuàng)新必需的一步。

中國、歐盟、美國、日本、俄羅斯、韓國、印度七方參與的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆 （ITER） 計(jì)劃采用的是磁約束核聚變技術(shù)路線，廠址位于法國。這個(gè)項(xiàng)目中，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是在聚變實(shí)驗(yàn)中通過約50兆瓦的加熱，實(shí)現(xiàn)500兆瓦的聚變功率，增益達(dá)到10。

段旭如對(duì)《財(cái)經(jīng)十一人》介紹，這一增益因子的計(jì)算，同樣是聚變功率和加熱功率的比值。要有商用價(jià)值，Q值需要超過30。此外，激光驅(qū)動(dòng)裝置效率目前不到1%，而托卡馬克裝置的加熱系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率要顯著高于此數(shù)。

段旭如表示，ITER是一個(gè)聚變實(shí)驗(yàn)堆，要實(shí)現(xiàn)聚變能的應(yīng)用，還有一些關(guān)鍵的工程挑戰(zhàn)和技術(shù)難題需要解決。在實(shí)驗(yàn)堆之后，開展示范堆的研發(fā)，再下一步就是具有經(jīng)濟(jì)性的商業(yè)堆開發(fā)。從現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展認(rèn)知來看，預(yù)計(jì)在2050年前后可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

在中國國內(nèi)，同樣也有激光核聚變的研究布局。早在1964年，當(dāng)時(shí)從事保密工作的知名物理學(xué)家王淦昌獨(dú)立提出了利用激光實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)的設(shè)想，這一想法得到中科院上海光機(jī)所高功率激光研究專家鄧錫銘的響應(yīng)，1965年，上海光機(jī)所開始開展高功率激光器的研究。其后70年代，來自中國工程物理研究院 （原九院） 的中國“氫彈之父”于敏提出激光聚變是復(fù)雜的研究系統(tǒng)工程，建議上海光機(jī)所與工物院強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，后來，兩院聯(lián)合投資建設(shè)激光12號(hào)實(shí)驗(yàn)裝置，也就是張愛萍將軍題詞“神光”的“神光I”裝置。

如今中國先后建成“神光I”“神光II”“神光III”三套激光實(shí)驗(yàn)裝置。其中“神光I”服役八年，已經(jīng)退役。“神光II”位于中科院上海光機(jī)所。“神光III”位于中國工程物理研究院，2015年完成建設(shè)，是世界上投入運(yùn)行的第二大激光驅(qū)動(dòng)器，也是亞洲最大的高功率激光裝置。

“神光III”與美國國家點(diǎn)火裝置參數(shù)對(duì)比 來源：中國工程物理研究院

國家實(shí)驗(yàn)室背后的支持

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室 （LLNL） 是美國能源部下屬的17個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室之一，成立于1952年，正值美蘇冷戰(zhàn)高峰期，總部位于加州利弗莫爾，是美國核武器研發(fā)的重要機(jī)構(gòu)。

勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室自我介紹說，其旨在開發(fā)并應(yīng)用世界一流的科學(xué)技術(shù)，確保美國核威懾力量的安全、可靠，同時(shí)應(yīng)對(duì)核擴(kuò)散、恐怖主義、能源短缺和氣候變化等威脅國家安全和全球穩(wěn)定的各種危險(xiǎn)。核心能力包括先進(jìn)材料和制造；高能量密度科學(xué)；高性能計(jì)算、模擬和數(shù)據(jù)科學(xué)；激光和光學(xué)科學(xué)技術(shù)；核、化學(xué)和同位素科學(xué)與技術(shù)；全源情報(bào)分析；核武器設(shè)計(jì)與工程；生物科學(xué)和生物工程；地球和大氣科學(xué)。

2021年，LLNL擁有正式員工8172名，資金來源共28.2億美元，其中80%源于美國國家核安全局 （NNSA） ，2/3與國防項(xiàng)目有關(guān)，14%來源于美國能源部旗下的戰(zhàn)略合作項(xiàng)目 （SPP） 。

LLNL2021年經(jīng)費(fèi)來源

突破發(fā)生后，多位美國政界人士也紛紛表態(tài)。

美國總統(tǒng)科學(xué)顧問、白宮科技政策辦公室 （OSTP） 主任Arati Prabhakar在當(dāng)?shù)氐陌l(fā)布會(huì)上表示，這是美國科研事業(yè)實(shí)力的絕佳案例，也是拜登總統(tǒng)用史上最大規(guī)模的聯(lián)邦科研預(yù)算支持的事業(yè)。

在美國能源部和國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的新聞稿中，多位政界人士在其中發(fā)言。美國參議院多數(shù)黨領(lǐng)袖查爾斯·舒默表示，他幫助慣性約束核聚變計(jì)劃在國防授權(quán)法案中獲得了今年超過6.24億美元的最高授權(quán)，以實(shí)現(xiàn)這一驚人的突破。

美國參議員、參議院軍事委員會(huì)主席杰克·里德稱，他贊揚(yáng)美國能源部和所有為這一有希望突破做出貢獻(xiàn)的人，這可能為美國和人類帶來更光明的清潔能源未來。

美國加州參議員Alex Padilla稱，將致力于確保他們擁有繼續(xù)這項(xiàng)重要工作所需的所有工具和資金。美國眾議員Eric Swalwell也表示，將繼續(xù)推動(dòng)為國家點(diǎn)火裝置提供大量資金，以支持聚變研究進(jìn)步。

美國眾議員Zoe Lofgren表示，國會(huì)和政府需要充分資助并實(shí)施最近的《芯片與科學(xué)法案》中的聚變研究條款，在二戰(zhàn)期間美國制定了曼哈頓計(jì)劃以取得及時(shí)的成果，當(dāng)今世界面臨的挑戰(zhàn)比當(dāng)時(shí)更大，需要倍加努力加快研究，以探索核聚變所承諾的清潔、無限能源的新途徑。

作者為《財(cái)經(jīng)》記者