美国宣布核聚变实现历史性突破

美国加利福尼亚劳伦斯-利弗莫尔国家实验室周二宣布，核聚变取得重大突破。这一宣布带来了巨大希望。数十年来，全球科学家试图开发核聚变，支持这一研究的科学家认为，掌握核聚变技术，可以使人类不再依赖导致气候升温的化石燃料。

位于加州的劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）是美国能源部的一部分，它在一份声明中说，上周的一项实验“从聚变中产生的能量超过了用于引起反应的激光能量”。美国能源部部长格兰霍姆在一次新闻发布会上说，这一成功将“载入史册”。

据彭博社和英国广播公司（BBC）报道，研究人员将少量氢气放入胡椒粒大小的胶囊里，然在配备了192个激光器的国家点火装置（NIF）上加热和压缩氢燃料。这激光非常强大，可将胶囊加热到1亿摄氏度，比太阳核心的温度还要高，并将它压缩到大气压力的1000亿倍以上。



美国加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室在12月5日的一次核聚变实验中短暂实现了净能量增益。图源：联合早报

这是科学家首次成功地使核聚变反应堆所生成的能量超过了所消耗的能量。这一突破为人类或许在几十年后，可以依赖为太阳和恒星提供动力的同一种核聚变反应产生的无碳电力带来了希望。

这项历史性突破无法即刻取代化石燃料

有专家指出，与核裂变不同，核聚变不会有发生核事故的风险。此外，核聚变产生的放射性废物极少，最重要的是，它不会产生温室气体。这使得它成为“世界能源问题的未来解决方案”。

同样值得注意的是，在当前技术条件下核聚变并不便宜，LLNL实验室进行的核聚变实验耗资35亿美元，但外媒也称，生产清洁能源的愿景会成为克服这些挑战的巨大动力。

人类为实现净零排放目标面临重重困难，大部分专家认为至少还需要几十年的进一步研发。这意味着，在全球面临严重能源供应短缺、温室气体继续攀升之际，这项历史性的突破很可能无法即刻帮助人类取代传统的化石燃料。

不论如何，劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的研究成果在可控核聚变研究领域具有重大意义，“在为我们的社会提供动力的零碳丰富聚变能源的可能性上迈出了重要的一步”。未来，科学家们不仅需要弄清楚如何在更大范围内从核聚变中产生更多的能量，而且需要研究如何最终降低核聚变的成本，以便应用于商业领域。LLNL主任Kim Budil表示，“我认为它正在走向前台，并且可能通过共同努力和投资、对基础技术进行几十年的研究，我们能够建造一座发电厂”。

两大技术路线，谁会胜出？

目前，核电站使用核裂变，其工作原理是分裂重原子的原子核，从而释放出能量。而核聚变的工作原理是让两个原子核接受摄氏1亿度或以上的极度高温，使其聚合成一个新的更大原子，释放出巨大能量。但是，这个过程消耗巨大的能量，所以科学家一直面对的难题之一是如何让释出的能量大于输入的能量，可以持续这样做，而不仅仅是短暂瞬间。

长期以来，可控热核聚变研究领域主要采取被称为托卡马克的环形反应堆，这是一种磁约束装置，其主要原理是磁场约束聚变物质。在托卡马克的环形反应堆内，氢气被加热到足够高的温度，因此电子便能够从氢原子核中剥离出来形成等离体子。磁场将等离子体困在甜甜圈形状内，原子核聚变在一起，以中子的形式释放能量向外飞。

NIF则采用了不同的方法，即利用超高强度激光在极短时间内辐照来产生聚变。但到目前为止，将激光聚变发电厂的想法变为现实的工作很少。LLNL主任Kim Budil在新闻发布会上表示，“其中存在非常重大的障碍，不仅在科学方面，而且在技术方面”。

托卡马克与NIF方式究竟哪个会胜出？据了解，“NIF和托卡马克都是有类似的瓶颈，那就是如何实现能量正收益。托卡马克主要的问题是第一壁的材料，如何长时间约束高温等离子体，实现可自持的核反应。NIF这样的激光惯性约束聚变中，材料问题不是主要问题，毕竟反应的靶丸（capsule）非常小，反应不具有可持续性也是很大问题，然而，反应能量的输出和转移并没有托卡马克成熟。”



图源：美联社

图注：这张图片显示了位于加州利弗莫尔的NIF（国家点火装置）目标湾。该系统使用192道激光束汇聚到这个巨大球体的中心，使一个微小的氢燃料颗粒内爆。

中国“人造太阳”处于什么水平？

“人造太阳”是世界极度关注的大科学问题，在下一代清洁能源面前，国与国是利益相关的合作伙伴关系，最具代表性的是 2006 年启动的国际热核聚变实验堆（ITER）项目。它是目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度等成员国参与其中，各国共同造出来的一颗“人造太阳”，是目前世界规模最大的核聚变反应堆，坐落在法国南部卡达拉舍。中方上月完成该项目首件关键零件“增强热负荷第一壁”。

尽管可控核聚变技术和托卡马克装置最早起源于国外，但中国已经实现了后来居上，处于世界前沿。建成于 2006 年的中国“人造太阳”EAST，全称为“全超导托卡马克核聚变实验装置”，又称“东方超环”，由中国科学院等离子体物理研究所建在安徽合肥。2021 年底，EAST 实现了 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行，其间电子温度近 7000 万摄氏度，创下当时托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录。



2020 年 12 月 4 日，由中核集团核工业西南物理研究院自主设计、建造的新一代“人造太阳”装置（HL-2M）建成。今年 10 月，HL-2M 取得了突破性进展——等离子体电流突破 100 万安培（1 兆安），创造了中国可控核聚变装置运行新纪录。此次全新的突破，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，对我国未来深度参与国际热核聚变堆（ITER）实验及自主设计运行聚变堆具有重要意义。