可控核聚变新进展，最大的应用方向不是清洁能源

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宣布，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）于 12 月 5 日首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进展最出圈的一次，影响力超越科学界。人们兴奋、激动，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足或生产限电担忧，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形式，甚至意味着化学能源无法满足的长时间星际旅行有了可能。
            在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的官网报道中，美国能源部官员、多位政府人士也将这一进展与清洁能源联系。美国能源部评价这一进展 “将帮助解决人类最复杂和最紧迫的问题，如提供清洁能源以应对气候变化，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，正是此次进展容易引起误解之处。
            首先在程度上，此次实验中，Q 值大于 1 的内涵和一般发电场景下的 “输出大于输入” 还有很大差别。
            更重要的是在方向上，此次取得进展的技术路线，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
            但启动激光器消耗了 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大小的圆柱体黑腔内，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，以此计算，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 需要消耗百倍于 2.05 兆焦耳的能量。据《自然》杂志官网报道，这次实验共消耗了 322 兆焦耳，即 92 千瓦时的电能。
            这相当于给一辆 100 度（即 100 千瓦时）的特斯拉 Model S Plaid 充满电，但最终释放的能量，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，还得经历一次能量损耗。
            其实早在 2013 年 9 月，NIF 就曾取得一次相似的重要进展，当时他们也实现了一定程度上的能量增益。在那次实验中，黑腔中心的靶丸吸收了 11 千焦能量，释放了 14.4 千焦聚变能。
            在刚刚发生的进展中，NIF 完成了一个更难的突破。计算输入能量时，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，这些能量中最终只有 10%-20% 会被靶丸吸收。
                        
            NIF 对黑腔内能量转化过程的介绍。Laser Energy Into the Hohlraum 是激光照射到黑腔上的能量，是此次最新进展中的输入能量，Capsule compression 是最终靶丸吸收的能量。
            这说明近 10 年来，NIF 用激光产生聚变能的效率提高了约 6-12 倍，取得了重大进展。
            另一方面也显示，是否取得能量增益，有一定定义空间。按照 Q 值是聚变过程释放的能量与聚变燃料吸收的能量之比的定义，NIF 可以说在 2013 年已实现了某种程度上的能量增益，只是他们当时没有大张旗鼓地宣传。
            当然，无论是 2013 年的进展，还是刚刚发生的进展，都离清洁能源相当遥远。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，而不是目前计算的 Q 值。人类离实现这一步突破仍有重重工程、技术挑战。
            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。目前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端高温高压环境下，原子会变成等离子体，等离子体极难被控制，因为原先运动很慢的原子会快速地四散逃逸。
            根据控制等离子体的不同方法，可控核聚变发展出了两种主流路线，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运动状态到快速运动状态需要时间，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 的进展属于惯性约束核聚变路线。它更适合军事用途，而非清洁能源。
            激光和等离子体专家、西安交通大学教授赵永涛告诉《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验室的激光装置（ 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。它可以在几乎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，走出冷战威胁的美国停止了地下核试验，这符合当时美国的国内国际舆论，也符合多国签订已久的《不扩散核武器条约》。
            这也是为什么美国政府评价此次进展时，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 的官方介绍中，其重要目的之一也是 “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验目的，不是给人类提供能源解决思路，而是核武器研究。
            除可控核聚变外，高能激光本身还有更多重要应用。
            高能物理学专家、中山大学教授黄永盛对《晚点 LatePost》总结：高能激光可用作激光武器，比如装载在卫星上，干扰乃至摧毁敌方卫星。它还可以模拟极端宇宙环境，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，以更低成本探索粒子结构。目前全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 花费了约 47.5 亿美元、14 年。黄永盛介绍，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、运营的成本和时间。高功率激光和传统加速器结合还可以产生高亮度光源，可被用来观察材料的内部结构、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验装置所需的经费太多、实验时间太长。围绕中国是否要投资 400 亿元建设强子对撞机，科学界曾有激烈争论。高能激光可能是解决这些纷争的技术手段之一。
                        
            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验的激光装置。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 年代开始逐步发展成神光系列激光核聚变装置，其激光效率位居世界前列，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
            新进展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路线，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，目前最主流的装置是 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。
                        
            欧洲联合杯（JET）托卡马克装置 图源：EUROfusion
            磁约束之所以更适于发电，主要因为磁约束核聚变是一个持续的过程，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验室主任朱健强在接受澎湃新闻采访时称，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现在的百倍以上。现在 NIF 只能一天打几次激光，远不够发电。
            激光装置也较维持。在最终打靶前，需要用上千片镜子反射激光以增强能量。现有技术条件下，大能量激光可能击碎反光镜，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足够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，进而实现持续反应。它更匹配需要持续输出的发电场景。
            磁约束核聚变的整体能量转化效率也更高。这一方法下，核聚变燃料直接吸收的能量是加热功率，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，电能现在转化成激光能时会损耗 99%。
            要以磁约束核聚变技术实现发电，关键要看两个维度的进展：一是运行时间，二是 Q 值，两个因素互相增益。
            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运动，总有许多等离子体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，需要更强的磁场或者更大的装置。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问题，且成本高、周期长。
            在磁约束核聚变路线中，对 Q 值中能量输入值的定义一般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 年宣布实现了 Q 值大于 1 ，但这是根据公式推演出的结果，且后来没有再复现。
            目前托卡马克装置的最高 Q 值记录是 0.67，由欧洲联合环（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。
            持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 年时它持续运转了 101 秒。
            目前正在建设的最大托卡马克装置是国际热核聚变实验堆（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。
            磁约束路线下的新趋势是，科学家正尝试以新的高温超导材料实现更强的磁场，这可以缩小托卡马克的尺寸，减少建设成本和周期。这也掀起了一股创投潮。自去年起，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 取得的新进展中，人类首次实现 Q 值大于 1 是最吸引关注、使人激动的部分。
            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 不是那么重要，更重要的是能否以更小成本实现更大破坏，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，它指示能否产生能量增益。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。
            即使如此，NIF 取得的进展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、西安交通大学教授赵永涛告诉《晚点 LatePost》，NIF 的新进展验证了可控惯性约束核聚变的科学可行性，是巨大进步。未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提高核聚变增益，将现在 1.5 倍的增益提高到几十、上百倍，激光核聚变就有工程应用前景；二是提高激光驱动源的能量转化效率，目前电能到激光能的转化效率只有约 1% ，将来可以使用其他更高效率的激光源，如高功率重离子加速器等。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。经费本身是艰难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，未来的科学家可能就在被吸引的人群中。
            没有持续的资源投入，没有一代代优秀人才的期望和努力，科学技术不会自己进步，甚至会倒退。人类 50 年前可以登上月球，现在要重返却困难重重，很多技术、工程问题得再解决一遍。
            科学界一直有一个玩笑：人类实现可控核聚变 “永远还有 50 年”。50 年的距离可能未被缩短，但一些人的努力，让我们离去掉 “永远还有” 更近了一点。
            题图：NIF 靶室内部，来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室。