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标题: 可控核聚变新盼望，最大的应用方向不是清洁能源 [打印本页]

作者: 乐可糖无 时间: 2023-5-13 19:20
标题: 可控核聚变新盼望，最大的应用方向不是清洁能源

科学技能并不一定进步，吸引经费和关注也是一种价值。

文丨潘俊田
编辑丨程曼祺

当地时间 12 月 13 日，美国能源部和美国核安全局公布，美国劳伦斯利弗莫尔国家实行室的国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）于 12 月 5 日初次实现了可控核聚变的能量增益，即输出能量与输入能量之比（Q 值）大于 1。

这是近年来可控核聚变的盼望最出圈的一次，影响力逾越科学界。人们兴奋、冲动，是因为可控核聚变最为人熟知的应用方向是取之不竭的清洁能源，它意味着不再为过冬暖气不敷或生产限电担心，不再为核裂变发电的辐射泄露惶恐，意味着围绕能源的纷争会减少或变换情势，乃至意味着化学能源无法满足的长时间星际观光有了大概。

在劳伦斯利弗莫尔国家实行室的官网报道中，美国能源部官员、多位政府人士也将这一盼望与清洁能源联系。美国能源部评价这一盼望 “将帮助办理人类最复杂和最紧迫的题目，如提供清洁能源以应对天气变革，以及在不进行核试验的情况下保持核威慑”。

但与清洁能源的关系，正是此次盼望轻易引起误解之处。

首先在水平上，此次实行中，Q 值大于 1 的内涵和一样平常发电场景下的 “输出大于输入” 另有很大差异。

更紧张的是在方向上，此次取得盼望的技能门路，最主要的应用方向并非清洁能源，而是美国能源部提到的另一关键词，“清洁核威慑”。

引发核聚变的激光能是 2.05 兆焦耳
但启动激光器斲丧了 322 兆焦耳能量

12 月 5 日发生在 NIF 的具体过程是：192 台高能激光器先将激光打入一个直径 10 米的球形靶室，再照射到靶室中心一个约两克拉钻石巨细的圆柱体黑腔内，最后照射到黑腔内直径 2 毫米的靶丸上，靶丸里是核聚变燃料氘和氚。整个过程中，激光打到黑腔上的能量是 2.05 兆焦耳（MJ），产生了 3.15 兆焦耳的聚变能，以此盘算，Q 值达到了 1.53。

NIF 的工作示意图：激光照射到黑腔再照射到靶丸，瞬间引发核聚变反应，整个过程只有 20 个十亿分之一秒。

但为了启动这 192 台高能激光器，整个 NIF 需要斲丧百倍于 2.05 兆焦耳的能量。据《自然》杂志官网报道，这次实行共斲丧了 322 兆焦耳，即 92 千瓦时的电能。

这相称于给一辆 100 度（即 100 千瓦时）的特斯拉 Model S Plaid 充满电，但终极释放的能量，仅能供这台车跑出约 6 公里，只有标定续航的百分之一。这还没有考虑到，核聚变释放的聚变能要转化为能驱动汽车的电能，还得履历一次能量损耗。

其实早在 2013 年 9 月，NIF 就曾取得一次相似的紧张盼望，当时他们也实现了肯定水平上的能量增益。在那次实行中，黑腔中心的靶丸汲取了 11 千焦能量，释放了 14.4 千焦聚变能。

在刚刚发生的盼望中，NIF 完成了一个更难的突破。盘算输入能量时，看的不再是靶丸汲取的能量，而是激光照射到黑腔上的能量，这些能量中终极只有 10%-20% 会被靶丸汲取。

NIF 对黑腔内能量转化过程的先容。Laser Energy Into the Hohlraum 是激光照射到黑腔上的能量，是此次最新盼望中的输入能量，Capsule compression 是终极靶丸汲取的能量。

这说明近 10 年来，NIF 用激光产生聚变能的服从进步了约 6-12 倍，取得了重大盼望。

另一方面也表现，是否取得能量增益，有肯定定义空间。按照 Q 值是聚变过程释放的能量与聚变燃料汲取的能量之比的定义，NIF 可以说在 2013 年已实现了某种水平上的能量增益，只是他们当时没有大张旗鼓地宣传。

固然，无论是 2013 年的盼望，照旧刚刚发生的盼望，都离清洁能源相称迢遥。对清洁能源的实际应用最有意义的输出 / 输入能量比，是整个过程输出的电能与输入的总能量的比值，即在电能到电能的转化过程中实现增益，而不是现在盘算的 Q 值。人类离实现这一步突破仍有重重工程、技能挑衅。

惯性约束核聚变更主要的应用方向是军事
而非能源

核聚变的原理在 100 多年前就被提出，即两个轻原子碰撞后合成一个重原子，这一过程会释放出巨大能量。现在主流的聚变过程是让氢的同位素氘和氚，在高温高压状态下克服原子核间的互斥，形成更重的氦原子和中子。

1952 年，人类实现了不受控的核聚变，即氢弹，其爆炸威力是原子弹的 450 倍。当时的氢弹需要用原子弹引爆。

要实现可控的核聚变，难点是在引发核聚变所需的极度高温高压情况下，原子会酿成等离子体，等离子体极难被控制，因为原先活动很慢的原子会快速地四散逃逸。

根据控制等离子体的差异方法，可控核聚变发展出了两种主流门路，一是惯性约束核聚变，二是磁约束核聚变。

等离子体从相对慢的活动状态到快速活动状态需要时间，惯性约束的思路就是在这个极小的时间窗口内向聚变燃料注入大量能量，使之依靠惯性相互撞击产生核聚变。

NIF 的盼望属于惯性约束核聚变门路。它更得当军事用途，而非清洁能源。

激光和等离子体专家、西安交通大学传授赵永涛告诉《晚点 LatePost》用原子弹引爆氢弹，其实就是一种惯性约束核聚变，但它的威力过大、不可控，一次爆炸能会释放几十、上百 PJ 的能量（1 PJ 等于 10 的 12 次方焦耳），且会产生辐射污染。

1960 年代初期，前苏联科学家尼古拉·巴索夫和中国的王淦昌院士分别独立提出了用激光实现惯性约束核聚变的理论。

同期，美国科学家约翰·霍普金·纳科尔斯（John Hopkin Nuckolls ）主持建设了劳伦斯利弗莫尔国家实行室的激光装置（ NIF 前身）。

如今 NIF 的点火过程，实际是一个由激光器引爆超小型氢弹的过程。它可以在险些没有辐射污染的情况下，研究、记录氢弹数据。1992 年，苏联解体后的第二年，走出暗斗威胁的美国克制了地下核试验，这符合当时美国的国内国际舆论，也符合多国签署已久的《不扩散核武器条约》。

这也是为什么美国政府评价此次盼望时，除了提到清洁能源，还提到它可以帮美国保持 “清洁核威慑”。NIF 的官方先容中，其紧张目的之一也是 “保持核威慑”，NIF 同时是美国” 核武器储备管理计划” 的核心部分。

中国工程院院士杜祥琬接受凤凰科技采访时称，美国国家点火装置的实行目的，不是给人类提供能源办理思路，而是核武器研究。

除可控核聚变外，高能激光自己另有更多紧张应用。

高能物理学专家、中山大学传授黄永盛对《晚点 LatePost》总结：高能激光可用作激光武器，比如装载在卫星上，干扰以致摧毁敌方卫星。它还可以模仿极度宇宙情况，如物质密度极大的中子星和黑洞边缘，这能帮科学家探索一些物理现象。

2004 年以来，高能激光的一个新应用热点是缩小超大型粒子对撞机，以更低资本探索粒子布局。现在环球最大的粒子对撞机是欧洲大型强子对撞机（LHC），它是一个直径约 9 公里的圆形管道，围起来的面积超 1000 公顷，可以放 450 个鸟巢。建设 LHC 耗费了约 47.5 亿美元、14 年。黄永盛先容，如果用高能激光，可将强子对撞机从公里级缩小至米级，大幅减少建设、运营的资本和时间。高功率激光和传统加快器联合还可以产生高亮度光源，可被用来观察质料的内部布局、缺陷和裂痕，还可用于器官细胞级成像。

当代物理学发展的瓶颈之一就是大型实行装置所需的经费太多、实行时间太长。围绕中国是否要投资 400 亿元建设强子对撞机，科学界曾有剧烈争论。高能激光大概是办理这些纷争的技能手段之一。

LHC 是一个超级大环，围起来的面积超过 1000 公顷。

在中国，王淦昌院士独立提出激光核聚变理论后，找到中国科学院上海光学精密机械研究所（上海光机所）邓锡铭院士，开始研发用于核聚变实行的激光装置。后在范滇元院士的主持下，上海光机所激光装置自 20 世纪 80 年代开始渐渐发展成神光系列激光核聚变装置，其激光服从位居天下前线，暂未实现可控核聚变的能量增益。

更有潜力实现清洁能源的是磁约束核聚变
新盼望给整个可控核聚变带来信心与关注

惯性约束核聚变之外，更有潜力应用于清洁能源的是另一可控核聚变主要门路，磁约束核聚变。

磁约束理论，是用磁场控制等离子体。这一思路下，诞生了仿星器、Z 箍缩、磁镜等许多装置，现在最主流的装置是 1954 年由前苏联库尔恰托夫原子能研究所提出的托卡马克。它依靠电流和环形线圈产生强磁场，将原子约束在形如 “甜甜圈” 的容器中。

欧洲团结杯（JET）托卡马克装置图源：EUROfusion

磁约束之以是更适于发电，主要因为磁约束核聚变是一个连续的过程，且托卡马克装置要比激光点火装置更好维护。

惯性约束核聚变，每发射一次激光，瞬间产生能量。中国科学院上海光机所研究员、高功率激光物理国家实行室主任朱健强在接受汹涌新闻采访时称，如果想用惯性约束核聚变建电站，至少需要一秒钟打 10 次激光，且每次输出的能量增益要达到如今的百倍以上。如今 NIF 只能一天打频频激光，远不敷发电。

激光装置也较维持。在终极打靶前，需要用上千片镜子反射激光以增强能量。现有技能条件下，大能量激光大概击碎反光镜，整个系统重复稳定运行的难度非常高。

而磁约束核聚变中，当 Q 值越过一个上限后，就可长时间运转，这是因为当托卡马克中有充足多的核聚变反应发生后，就会产生大量热量加热那些尚未进行反应的物质，进而实现连续反应。它更匹配需要连续输出的发电场景。

磁约束核聚变的团体能量转化服从也更高。这一方法下，核聚变燃料直接汲取的能量是加热功率，从电能到加热功率的损耗在 40%-50%；而惯性约束核聚变方法中，电能如今转化成激光能时会损耗 99%。

要以磁约束核聚变技能实现发电，关键要看两个维度的盼望：一是运行时间，二是 Q 值，两个因素相互增益。

增加运行时间的难度是，加热后的等离子体并不总是按照设想的那样活动，总有许多等离子领会在反应过程中失去热量，现有的装置很难维持超过 100 秒的运行时间。

增大 Q 值的难度是，想要增加 Q 值，需要更强的磁场大概更大的装置。装置的造价和装置的体积正相关，建设更大装置需要克服更多工程题目，且资本高、周期长。

在磁约束核聚变门路中，对 Q 值中能量输入值的定义一样平常是核聚变燃料获得的加热功率，能量输出是核聚变燃料产生的聚变功率。

日本的托卡马克装置 JT-60U 曾于 1997 年公布实现了 Q 值大于 1 ，但这是根据公式推演出的结果，且厥后没有再复现。

现在托卡马克装置的最高 Q 值记录是 0.67，由欧洲团结环（JET）于 1997 年实现。这意味着输入 1 焦耳的能量，只有大约三分之二的能量被输出。

连续运转时间的纪录则由中国的托卡马克装置 “东方超环”（EAST）保持。2021 年时它连续运转了 101 秒。

现在正在建设的最大托卡马克装置是国际热核聚变实行堆（ITER），它计划最早于 2035 年投入运营，预计 Q 值能达到 10，维持时间能达到 500 秒。

磁约束门路下的新趋势是，科学家正实验以新的高温超导质料实现更强的磁场，这可以缩小托卡马克的尺寸，减少建设资本和周期。这也掀起了一股创投潮。自客岁起，大量社会资本投入核聚变，一批新老公司获得融资，支持者包括比尔·盖茨、贝索斯、索罗斯等。

这一次 NIF 取得的新盼望中，人类初次实现 Q 值大于 1 是最吸引关注、使人冲动的部分。

不过如果把惯性约束核聚变用于清洁核威慑和核武器上，Q 值是否大于 1 不是那么紧张，更紧张的是可否以更小资本实现更大粉碎，然后是整个过程的稳定和可重复。

只有在能源和发电场景下，算 Q 值的账才有意义，它指示可否产生能量增益。在更有潜力实现清洁能源的磁约束核聚变方向上，人类还没有越过 Q 值大于 1 的临界点。

即使云云，NIF 取得的盼望以及由此引起的巨大关注仍有大价值。它给核聚变研究注入了一针强心剂。

激光和等离子体专家、西安交通大学传授赵永涛告诉《晚点 LatePost》，NIF 的新盼望验证了可控惯性约束核聚变的科学可行性，是巨大进步。将来如要把激光驱动核聚变作为能源，有两个主要突破路径，一是通过新的束靶设计等继续进步核聚变增益，将如今 1.5 倍的增益进步到几十、上百倍，激光核聚变就有工程应用远景；二是进步激光驱动源的能量转化服从，现在电能到激光能的转化服从只有约 1% ，将来可以使用其他更高服从的激光源，如高功率重离子加快器等。他提到，把惯性约束核聚变用于能源，从科学上可行到工程上可行间仍有很大鸿沟。

有人评价 NIF 此次大张旗鼓地宣传是 “赚经费” 之举。经费自己是艰巨的重大科学研究不可缺少的燃料。相伴而来的关注和眼球，则是一次更深远的科普活动，将来的科学家大概就在被吸引的人群中。

没有连续的资源投入，没有一代代精良人才的期望和积极，科学技能不会自己进步，乃至会倒退。人类 50 年前可以登上月球，如今要重返却困难重重，许多技能、工程题目得再办理一遍。

科学界不停有一个打趣：人类实现可控核聚变 “永远另有 50 年”。50 年的间隔大概未被收缩，但一些人的积极，让我们拜别掉 “永远另有” 更近了一点。

题图：NIF 靶室内部，泉源：劳伦斯利弗莫尔国家实行室。

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