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当地时间12月13日，美国能源部正式宣布了一项核聚变的历史性突破。加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（下称LLNL）的科学家于12月5日首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益（Net Energy Gain）”，即受控核聚变反应产生的能量超过驱动反应发生的激光能量。 这一时刻也被称为“聚变点火（Fusion Ignition）”，是实现可控核聚变的关键步骤。美国能源部称，这一突破将永远改变清洁能源和美国国防的未来。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室里的装置。来源：澎湃新闻 此外，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔（Kim Budil）表示，如果想将这一成果商业化，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服，可能还需要几十年的努力和投资。 12月5日实验 核聚变反应是宇宙中的普遍现象，它是恒星（例如太阳）的能量来源。核聚变能也是全世界能源发展的前沿方向，被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量，就能摆脱目前地球的能源与环境危机困扰。 耗资35亿美元的美国国家点火装置位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室，最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器，后用于推进聚变能研究。占地面积有三个足球场大的NIF从2010年开始正式的点火实验，美国用了10多年时间不断冲击点火目标，过程一波三折。 2014年，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家获得成果，但当时产生的能量非常小，相当于一个60瓦的灯泡在5分钟内消耗的能量。2021年8月，NIF在一次聚变反应中产生了1.37兆焦耳的能量，约为那次激光能量的70%，是世界上最接近净能量增益的一次。 当地时间2022年12月5日上午1:03，劳伦斯利弗莫尔国家实验室使用192束强大的激光束击中了只有胡椒大小的氢同位素的固体目标。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量，产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出，能量增益达到153%。
核聚变工作原理。来源：BBC 中国工程物理研究院激光聚变研究中心副总工程师谷渝秋解释，聚变反应过程损耗能量，同时也产生能量。如果产生的能量超过输入能量，即有了增量。“LLNL研究结果的科学意义在于，它首次实现了核聚变点火能量增益大于1。”为此，这一过程有了经济性，未来就能用来实现诸如发电等的多种应用。 中国科学院上海光学精密机械研究所（以下称上海光机所）原所长朱健强研究员激动地盛赞上述研究成果的意义，“伟大梦想变成了现实”“迈上了划时代的台阶”“非常了不起”“梦寐以求”。他表示，“激光聚变点火能否成功，科学界一直有争议。现在科学设想变成了现实。这大概是人类有科技史以来，最伟大的一个事业，因为能源是最重要的终极需求。” 美国科技媒体The Verge评价道，利用核聚变可能是革命性的——为人们提供丰富的能源，而不会受到温室气体排放或持久放射性废物的有害副作用。然而，这样做取决于克服巨大的工程障碍。经过几十年的实验，这次宣布代表了对这些障碍之一的微小但重大的胜利。但是，要实现任何清洁能源梦想，还有很长的路要走。 劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任布迪尔在新闻发布会上说：“有了真正的投资和真正的关注，这个时间尺度可以更近。”“很长一段时间我们从未走近过，对吗？因为我们需要这个基本的第一步。因此，我们今天处于一个很好的位置，可以开始了解下一步需要什么。” 零排放的“人造小太阳” 核聚变是将两个较轻的核结合而形成一个较重的核和一个很轻的核（或粒子）的一种核反应形式。两个较轻的核在融合过程中产生质量亏损而释放出巨大的能量。具体来说，两个轻核在发生聚变时因它们都带正电荷而彼此排斥，然而两个能量足够高的核迎面相遇，它们就能相当紧密地聚集在一起，以致核力能够克服库仑斥力而发生核反应，这个反应叫做核聚变。 太阳和许多恒星的内部温度高达千万摄氏度以上，每时每刻都在发生着剧烈的核聚变反应。太阳每秒放出的能量约为3.9×10^26焦耳，虽然到达地球表面的仅为太阳每秒释放能量的10亿分之一，但这也是巨大的能量，正是这个能量，才使得地球上的一切生命活动成为可能。 核聚变在太阳中的运作方式是将普通的质子（氢原子核）熔合成氦-4，并在此过程中释放能量。因为与太阳产生能量的原理相同，一直有零碳能源之称的核聚变反应被称为“人造小太阳”。 自上世纪50年代以来，科学家们一直在努力证明聚变反应可以释放出比输入更多的能量，LLNL最新研究结果，终于验证了这一设想。而核聚变过程可控，使研究成果最终能够用于能源等民用领域。 “核聚变一个好处是不会产生放射性废物，过程是环保的。而目前在运行的核电站是核裂变反应，其中用的原料铀，会产生放射性废料，会损害人类环境，即便深埋。日本福岛发生核泄漏事件后，日本德国都停止了核电站运行，全球核电站建设也放缓了。” 谷渝秋还透露，聚变反应原料是氢燃料，氢自然界取之不尽用之不竭，它可以实现自循环，而且无碳。“小太阳是指它可以自循环，产生无穷无尽的能量。” 磁约束和激光惯性约束 核聚变的两种路线 核聚变能是全世界能源发展的前沿方向，核聚变能由于其燃料来自海水、效率是化石能源的千万倍、没有长期的核废料、没有碳排放等特点，被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量，就能摆脱目前地球的能源与环境危机的困扰。 可控核聚变所需要的原料是氢元素中的两个同位素氘和氚。氘可从海水中提取，氚可以由地球上储量非常丰富的锂生成。一立方公里海水所含的氘经过聚变反应产生的能量就相当于地球上所有石油储备产生的总能量。 但人类若想要在地球上成功实现受控热核聚变反应，从而获得巨大能量，就必须创造三个必要条件。一是极高的温度，以使氘氚燃料成为超过1亿摄氏度的热等离子体；二是极高的密度，以使氘氚原子核发生量子隧穿的概率变大，而且便于将聚变产生的阿尔法粒子能量留下来继续参与核聚变反应；三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。 到目前为止，人类对受控核聚变的研究主要分为两类。一是磁约束核聚变，也就是用特殊形态的磁场把氘、氚等轻原子核和自由电子组成的、处于热核反应状态的超高温等离子体约束在有限的体积内，使它受控制地发生大量的原子核聚变反应，释放出能量，典型的实验装置如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。二是激光核聚变，这是以高功率激光作为驱动器的惯性约束核聚变，典型实验装置如我国的神光激光装置和美国的国家点火装置（NIF）。 磁约束需要利用装置，用磁场来约束聚变物质，目前研究的装置包括托卡马克、仿星器、反向场箍缩及磁镜等。 该路线的主攻方向之一是采用是托卡马克（Tokamak）装置。这是一种环形容器，用磁场形成一个“磁笼”将等离子体束缚住，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现受控核聚变。这种装置又称环磁机，名字来源于其的关键词——环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka）。 托卡马克装置曾被质疑存在安全问题，以及材料问题也是一大挑战。因为托卡马克装置内受到电流的控制，一旦电流或磁场中断，整个反应堆将会被破坏，影响安全。 激光惯性约束聚变的主要挑战则是反应如何具有可持续性，确保反应能量的输出始终大于输入。 此前，采用托卡马克装置的磁约束技术路线，通常被认为主流的核聚变技术路线，是最有可能率先成功的方式。全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER），即采用了托卡马克装置。 ITER是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，同时是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。 2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆（ITER）项目启动协定。2008年，中国全面开展ITER计划工作，承担了其中约10%的研发制造任务。 中国核能发展 中国核能发展实施“热堆-快堆-聚变堆”三步走战略，在磁约束和惯性约束聚变上均有研究。目前，中国磁约束核聚变技术的研究上已处于世界前列。 中国对核聚变能研究开始于1960年代初，主要依托的单位为隶属中国核工业集团公司的西南物理研究院（SWIP）和隶属于中国科学院的合肥物质科学研究院等离子体物理研究所等。 2006年，中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克EAST（原名HT--7U）核聚变实验装置成功完成首次工程调试，并于2007年3月通过国家验收，之后实现多次放电。这个装置规模上大大小于ITER，但是位形却与之相似，由中科院合肥物质科学研究院研发。 今年5月28日，EAST创造新的世界纪录，成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行。这将此前创造的1亿摄氏度20秒原纪录延长了5倍。 今年10月20日，中核集团发布消息称，中国新一代“人造太阳”（HL-2M）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，标志着中国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步，跻身国际第一方阵。 HL-2M即中国环流器二号M装置，为目前中国最大、参数最高的托卡马克装置，被称为中国新一代核聚变实验装置。 目前，国内也有一些民企在探索可商业化聚变能源技术。今年2月，成立于2021年的能量奇点宣布完成近4亿元人民币的首轮融资，米哈游和蔚来资本领投，红杉中国种子基金和蓝驰创投跟投。 该公司计划，融资主要用于研发和建设基于全高温超导材料的小型托卡马克实验装置，以及研发可用于下一代高性能聚变装置的先进磁体系统。 今年6月，陕西星环聚能科技有限公司（下称星环聚能）正式对外宣布，完成数亿元天使轮融资，用于可控聚变能开发。顺为资本、中科创星、昆仑资本等十多家机构参与投资。 星环聚能成立于2021年。获得本轮融资后，该公司将在陕西省西咸新区建设球形托卡马克聚变装置。 商业应用或要等几十年 正因为核聚变有终极能源之说，目前全球核大国都在投入核聚变研究。法国国际热核聚变实验堆已经实现了大规模打靶。俄罗斯也在做相关的驱动器研究。 无论是哪条技术路线，从实验成功走向未来的核聚变商业化，都预计仍需要很长时间。 许多科学家认为，核聚变商业落地还需要几十年时间。但是，这项技术的潜力却很难被忽视。因为一小杯氢燃料理论上可以为一座房子提供几百年的能源。 谷渝秋认为，核聚变应用还有相当长距离，这主要取决于激光技术进步程度。“原理没问题了。但现在激光打一炮重复频率太低，如果能像光纤激光器一样就可以搞定了，这需要科学上的突破。” 朱健强表示，上世纪八十年代中期，上海光机所成立，开启了激光聚变事业的新纪元。现在，激光聚变点火成功了，下一步应该是怎么把点火效率做高的问题。“做这个事情需要勇气和信心，因为没有先例，也没有标准模式，大家都是在探索。” LLNL主任基姆·布迪尔（Kim Budil）表示，实现核聚变商业化可能需要数十年，核聚变技术还需克服诸多障碍，包括实现每分钟完成多次聚变点火，并拥有稳健的驱动程序系统等。 美国有线电视新闻网（CNN）的报道指出，当前实现的“净能量增益”规模，远小于实现电网供电和建筑物供暖所需的规模。因此，科学家们将在下一步探索如何实现更大规模的核聚变能量，以及最终如何降低核聚变成本以供商业化。 基姆·布迪尔对此持有信心，“核聚变正在走向前台。通过共同努力和投资，对基础技术几十年的研究或许可以使我们有能力建造一座（核聚变）发电厂。” （微信公众号“财智头条”综合自：界面新闻、澎湃新闻、财联社、光明网等） 编辑：袁凯 校对：风华 审核：龚紫陌 |
