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2023-01-31
可控核聚變新進展，最大的應用方向不是清潔能源
更新時間：2022-12-27 08:06:24作者：智慧百科
科學技術(shù)并不必然進步，吸引經(jīng)費和關(guān)注也是一種價值。
文丨潘俊田
編輯丨程曼祺
當?shù)貢r間 12 月 13 日， 美國能源部和美國核安全局宣布，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）于 12 月 5 日首次實現(xiàn)了可控核聚變的能量增益，即輸出能量與輸入能量之比（Q 值）大于 1。
這是近年來可控核聚變的進展最出圈的一次，影響力超越科學界。人們興奮、激動，是因為可控核聚變最為人熟知的應用方向是取之不竭的清潔能源，它意味著不再為過冬暖氣不足或生產(chǎn)限電擔憂，不再為核裂變發(fā)電的輻射泄露惶恐，意味著圍繞能源的紛爭會減少或變換形式，甚至意味著化學能源無法滿足的長時間星際旅行有了可能。
在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的官網(wǎng)報道中，美國能源部官員、多位政府人士也將這一進展與清潔能源聯(lián)系。美國能源部評價這一進展 “將幫助解決人類最復雜和最緊迫的問題，如提供清潔能源以應對氣候變化，以及在不進行核試驗的情況下保持核威懾”。
但與清潔能源的關(guān)系，正是此次進展容易引起誤解之處。
首先在程度上，此次實驗中，Q 值大于 1 的內(nèi)涵和一般發(fā)電場景下的 “輸出大于輸入” 還有很大差別。
更重要的是在方向上，此次取得進展的技術(shù)路線，最主要的應用方向并非清潔能源，而是美國能源部提到的另一關(guān)鍵詞，“清潔核威懾”。
引發(fā)核聚變的激光能是 2.05 兆焦耳
但啟動激光器消耗了 322 兆焦耳能量
12 月 5 日發(fā)生在 NIF 的具體過程是：192 臺高能激光器先將激光打入一個直徑 10 米的球形靶室，再照射到靶室中心一個約兩克拉鉆石大小的圓柱體黑腔內(nèi)，最后照射到黑腔內(nèi)直徑 2 毫米的靶丸上，靶丸里是核聚變?nèi)剂想碗?。整個過程中，激光打到黑腔上的能量是 2.05 兆焦耳（MJ），產(chǎn)生了 3.15 兆焦耳的聚變能，以此計算，Q 值達到了 1.53。
NIF 的工作示意圖：激光照射到黑腔再照射到靶丸，瞬間引發(fā)核聚變反應，整個過程只有 20 個十億分之一秒。
但為了啟動這 192 臺高能激光器，整個 NIF 需要消耗百倍于 2.05 兆焦耳的能量。據(jù)《自然》雜志官網(wǎng)報道，這次實驗共消耗了 322 兆焦耳，即 92 千瓦時的電能。
這相當于給一輛 100 度（即 100 千瓦時）的特斯拉 Model S Plaid 充滿電，但最終釋放的能量，僅能供這臺車跑出約 6 公里，只有標定續(xù)航的百分之一。這還沒有考慮到，核聚變釋放的聚變能要轉(zhuǎn)化為能驅(qū)動汽車的電能，還得經(jīng)歷一次能量損耗。
其實早在 2013 年 9 月，NIF 就曾取得一次相似的重要進展，當時他們也實現(xiàn)了一定程度上的能量增益。在那次實驗中，黑腔中心的靶丸吸收了 11 千焦能量，釋放了 14.4 千焦聚變能。
在剛剛發(fā)生的進展中，NIF 完成了一個更難的突破。計算輸入能量時，看的不再是靶丸吸收的能量，而是激光照射到黑腔上的能量，這些能量中最終只有 10%-20% 會被靶丸吸收。
NIF 對黑腔內(nèi)能量轉(zhuǎn)化過程的介紹。Laser Energy Into the Hohlraum 是激光照射到黑腔上的能量，是此次最新進展中的輸入能量，Capsule compression 是最終靶丸吸收的能量。
這說明近 10 年來，NIF 用激光產(chǎn)生聚變能的效率提高了約 6-12 倍，取得了重大進展。
另一方面也顯示，是否取得能量增益，有一定定義空間。按照 Q 值是聚變過程釋放的能量與聚變?nèi)剂衔盏哪芰恐鹊亩x，NIF 可以說在 2013 年已實現(xiàn)了某種程度上的能量增益，只是他們當時沒有大張旗鼓地宣傳。
當然，無論是 2013 年的進展，還是剛剛發(fā)生的進展，都離清潔能源相當遙遠。對清潔能源的實際應用最有意義的輸出 / 輸入能量比，是整個過程輸出的電能與輸入的總能量的比值，即在電能到電能的轉(zhuǎn)化過程中實現(xiàn)增益，而不是目前計算的 Q 值。人類離實現(xiàn)這一步突破仍有重重工程、技術(shù)挑戰(zhàn)。
慣性約束核聚變更主要的應用方向是軍事
而非能源
核聚變的原理在 100 多年前就被提出，即兩個輕原子碰撞后合成一個重原子，這一過程會釋放出巨大能量。目前主流的聚變過程是讓氫的同位素氘和氚，在高溫高壓狀態(tài)下克服原子核間的互斥，形成更重的氦原子和中子。
1952 年，人類實現(xiàn)了不受控的核聚變，即氫彈， 其爆炸威力是原子彈的 450 倍。當時的氫彈需要用原子彈引爆。
要實現(xiàn)可控的核聚變，難點是在引發(fā)核聚變所需的極端高溫高壓環(huán)境下，原子會變成等離子體，等離子體極難被控制，因為原先運動很慢的原子會快速地四散逃逸。
根據(jù)控制等離子體的不同方法，可控核聚變發(fā)展出了兩種主流路線，一是慣性約束核聚變，二是磁約束核聚變。
等離子體從相對慢的運動狀態(tài)到快速運動狀態(tài)需要時間，慣性約束的思路就是在這個極小的時間窗口內(nèi)向聚變?nèi)剂献⑷氪罅磕芰浚怪揽繎T性相互撞擊產(chǎn)生核聚變。
NIF 的進展屬于慣性約束核聚變路線。它更適合軍事用途，而非清潔能源。
激光和等離子體專家、西安交通大學教授趙永濤告訴《晚點 LatePost》用原子彈引爆氫彈，其實就是一種慣性約束核聚變，但它的威力過大、不可控，一次爆炸能會釋放幾十、上百 PJ 的能量（1 PJ 等于 10 的 12 次方焦耳），且會產(chǎn)生輻射污染。
1960 年代初期，前蘇聯(lián)科學家尼古拉·巴索夫和中國的王淦昌院士分別獨立提出了用激光實現(xiàn)慣性約束核聚變的理論。
同期，美國科學家約翰·霍普金·納科爾斯（John Hopkin Nuckolls ）主持建設了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的激光裝置（ NIF 前身）。
如今 NIF 的點火過程，實際是一個由激光器引爆超小型氫彈的過程。它可以在幾乎沒有輻射污染的情況下，研究、記錄氫彈數(shù)據(jù)。1992 年，蘇聯(lián)解體后的第二年，走出冷戰(zhàn)威脅的美國停止了地下核試驗，這符合當時美國的國內(nèi)國際輿論，也符合多國簽訂已久的《不擴散核武器條約》。
這也是為什么美國政府評價此次進展時，除了提到清潔能源，還提到它可以幫美國保持 “清潔核威懾”。NIF 的官方介紹中，其重要目的之一也是 “保持核威懾”，NIF 同時是美國” 核武器儲備管理計劃” 的核心部分。
中國工程院院士杜祥琬接受鳳凰科技采訪時稱，美國國家點火裝置的實驗目的，不是給人類提供能源解決思路，而是核武器研究。
除可控核聚變外，高能激光本身還有更多重要應用。
高能物理學專家、中山大學教授黃永盛對《晚點 LatePost》總結(jié)：高能激光可用作激光武器，比如裝載在衛(wèi)星上，干擾乃至摧毀敵方衛(wèi)星。它還可以模擬極端宇宙環(huán)境，如物質(zhì)密度極大的中子星和黑洞邊緣，這能幫科學家探索一些物理現(xiàn)象。
2004 年以來，高能激光的一個新應用熱點是縮小超大型粒子對撞機，以更低成本探索粒子結(jié)構(gòu)。目前全球最大的粒子對撞機是歐洲大型強子對撞機（LHC），它是一個直徑約 9 公里的圓形管道，圍起來的面積超 1000 公頃，可以放 450 個鳥巢。建設 LHC 花費了約 47.5 億美元、14 年。黃永盛介紹，如果用高能激光，可將強子對撞機從公里級縮小至米級，大幅減少建設、運營的成本和時間。高功率激光和傳統(tǒng)加速器結(jié)合還可以產(chǎn)生高亮度光源，可被用來觀察材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷和裂痕，還可用于器官細胞級成像。
當代物理學發(fā)展的瓶頸之一就是大型實驗裝置所需的經(jīng)費太多、實驗時間太長。圍繞中國是否要投資 400 億元建設強子對撞機，科學界曾有激烈爭論。高能激光可能是解決這些紛爭的技術(shù)手段之一。
LHC 是一個超級大環(huán)，圍起來的面積超過 1000 公頃。
在中國，王淦昌院士獨立提出激光核聚變理論后，找到中國科學院上海光學精密機械研究所（上海光機所）鄧錫銘院士，開始研發(fā)用于核聚變實驗的激光裝置。后在范滇元院士的主持下，上海光機所激光裝置自 20 世紀 80 年代開始逐步發(fā)展成神光系列激光核聚變裝置，其激光效率位居世界前列，暫未實現(xiàn)可控核聚變的能量增益。
更有潛力實現(xiàn)清潔能源的是磁約束核聚變
新進展給整個可控核聚變帶來信心與關(guān)注
慣性約束核聚變之外，更有潛力應用于清潔能源的是另一可控核聚變主要路線，磁約束核聚變。
磁約束理論，是用磁場控制等離子體。這一思路下，誕生了仿星器、Z 箍縮、磁鏡等許多裝置，目前最主流的裝置是 1954 年由前蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所提出的托卡馬克。它依靠電流和環(huán)形線圈產(chǎn)生強磁場，將原子約束在形如 “甜甜圈” 的容器中。
歐洲聯(lián)合杯（JET）托卡馬克裝置 圖源：EUROfusion
磁約束之所以更適于發(fā)電，主要因為磁約束核聚變是一個持續(xù)的過程，且托卡馬克裝置要比激光點火裝置更好維護。
慣性約束核聚變，每發(fā)射一次激光，瞬間產(chǎn)生能量。中國科學院上海光機所研究員、高功率激光物理國家實驗室主任朱健強在接受澎湃新聞采訪時稱，如果想用慣性約束核聚變建電站，至少需要一秒鐘打 10 次激光，且每次輸出的能量增益要達到現(xiàn)在的百倍以上。現(xiàn)在 NIF 只能一天打幾次激光，遠不夠發(fā)電。
激光裝置也較維持。在最終打靶前，需要用上千片鏡子反射激光以增強能量。現(xiàn)有技術(shù)條件下，大能量激光可能擊碎反光鏡，整個系統(tǒng)重復穩(wěn)定運行的難度非常高。
而磁約束核聚變中，當 Q 值越過一個上限后，就可長時間運轉(zhuǎn)，這是因為當托卡馬克中有足夠多的核聚變反應發(fā)生后，就會產(chǎn)生大量熱量加熱那些尚未進行反應的物質(zhì)，進而實現(xiàn)持續(xù)反應。它更匹配需要持續(xù)輸出的發(fā)電場景。
磁約束核聚變的整體能量轉(zhuǎn)化效率也更高。這一方法下，核聚變?nèi)剂现苯游盏哪芰渴羌訜峁β?，從電能到加熱功率的損耗在 40%-50%；而慣性約束核聚變方法中，電能現(xiàn)在轉(zhuǎn)化成激光能時會損耗 99%。
要以磁約束核聚變技術(shù)實現(xiàn)發(fā)電，關(guān)鍵要看兩個維度的進展：一是運行時間，二是 Q 值，兩個因素互相增益。
增加運行時間的難度是，加熱后的等離子體并不總是按照設想的那樣運動，總有許多等離子體會在反應過程中失去熱量，現(xiàn)有的裝置很難維持超過 100 秒的運行時間。
增大 Q 值的難度是，想要增加 Q 值，需要更強的磁場或者更大的裝置。裝置的造價和裝置的體積正相關(guān)，建設更大裝置需要克服更多工程問題，且成本高、周期長。
在磁約束核聚變路線中，對 Q 值中能量輸入值的定義一般是核聚變?nèi)剂汐@得的加熱功率，能量輸出是核聚變?nèi)剂袭a(chǎn)生的聚變功率。
日本的托卡馬克裝置 JT-60U 曾于 1997 年宣布實現(xiàn)了 Q 值大于 1 ，但這是根據(jù)公式推演出的結(jié)果，且后來沒有再復現(xiàn)。
目前托卡馬克裝置的最高 Q 值記錄是 0.67，由歐洲聯(lián)合環(huán)（JET）于 1997 年實現(xiàn)。這意味著輸入 1 焦耳的能量，只有大約三分之二的能量被輸出。
持續(xù)運轉(zhuǎn)時間的紀錄則由中國的托卡馬克裝置 “東方超環(huán)”（EAST）保持。2021 年時它持續(xù)運轉(zhuǎn)了 101 秒。
目前正在建設的最大托卡馬克裝置是國際熱核聚變實驗堆（ITER），它計劃最早于 2035 年投入運營，預計 Q 值能達到 10，維持時間能達到 500 秒。
磁約束路線下的新趨勢是，科學家正嘗試以新的高溫超導材料實現(xiàn)更強的磁場，這可以縮小托卡馬克的尺寸，減少建設成本和周期。這也掀起了一股創(chuàng)投潮。自去年起，大量社會資本投入核聚變，一批新老公司獲得融資，支持者包括比爾·蓋茨、貝索斯、索羅斯等。
這一次 NIF 取得的新進展中，人類首次實現(xiàn) Q 值大于 1 是最吸引關(guān)注、使人激動的部分。
不過如果把慣性約束核聚變用于清潔核威懾和核武器上，Q 值是否大于 1 不是那么重要，更重要的是能否以更小成本實現(xiàn)更大破壞，然后是整個過程的穩(wěn)定和可重復。
只有在能源和發(fā)電場景下，算 Q 值的賬才有意義，它指示能否產(chǎn)生能量增益。在更有潛力實現(xiàn)清潔能源的磁約束核聚變方向上，人類還沒有越過 Q 值大于 1 的臨界點。
即使如此，NIF 取得的進展以及由此引起的巨大關(guān)注仍有大價值。它給核聚變研究注入了一針強心劑。
激光和等離子體專家、西安交通大學教授趙永濤告訴《晚點 LatePost》，NIF 的新進展驗證了可控慣性約束核聚變的科學可行性，是巨大進步。未來如要把激光驅(qū)動核聚變作為能源，有兩個主要突破路徑，一是通過新的束靶設計等繼續(xù)提高核聚變增益，將現(xiàn)在 1.5 倍的增益提高到幾十、上百倍，激光核聚變就有工程應用前景；二是提高激光驅(qū)動源的能量轉(zhuǎn)化效率，目前電能到激光能的轉(zhuǎn)化效率只有約 1% ，將來可以使用其他更高效率的激光源，如高功率重離子加速器等。他提到，把慣性約束核聚變用于能源，從科學上可行到工程上可行間仍有很大鴻溝。
有人評價 NIF 此次大張旗鼓地宣傳是 “賺經(jīng)費” 之舉。經(jīng)費本身是艱難的重大科學研究不可缺少的燃料。相伴而來的關(guān)注和眼球，則是一次更深遠的科普活動，未來的科學家可能就在被吸引的人群中。
沒有持續(xù)的資源投入，沒有一代代優(yōu)秀人才的期望和努力，科學技術(shù)不會自己進步，甚至會倒退。人類 50 年前可以登上月球，現(xiàn)在要重返卻困難重重，很多技術(shù)、工程問題得再解決一遍。
科學界一直有一個玩笑：人類實現(xiàn)可控核聚變 “永遠還有 50 年”。50 年的距離可能未被縮短，但一些人的努力，讓我們離去掉 “永遠還有” 更近了一點。
題圖：NIF 靶室內(nèi)部，來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。
