昨晚美國能源部發(fā)布了一條大新聞，我們離人造太陽不遠(yuǎn)了？
在被疫情困擾了3年之久的地球上，這真是個(gè)難得的令人振奮的好消息。
美國時(shí)間12月13日上午的新聞發(fā)布會(huì)上，美國能源部長詹妮弗?格蘭霍姆宣布：其在可控核聚變實(shí)驗(yàn)中取得了重大突破。
12月5日，在美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL），那臺(tái)有3個(gè)足球場(chǎng)那么大，配備了192個(gè)激光器的國家點(diǎn)火裝置（NIF）上，第一次實(shí)現(xiàn)了能量的正收益。
在之前的實(shí)驗(yàn)中，由于核聚變發(fā)生的條件實(shí)在過于苛刻，激光所用的能量往往高于聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，最多也只是打平，這讓整個(gè)系統(tǒng)如同一個(gè)效益不佳的工廠，壓根無法可持續(xù)運(yùn)營。
而這一次，首次實(shí)現(xiàn)了聚變反應(yīng)的凈能量增益，即輸出能量大于輸入能量。根據(jù)勞森準(zhǔn)則（Lawson criterion），當(dāng)生產(chǎn)的能量高于損失時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生凈能量， 如果足夠多的能量被燃料捕獲，系統(tǒng)將可以自我維持，這個(gè)系統(tǒng)便“點(diǎn)火”成功了。
在人類的能源史上，這可能是個(gè)里程碑式的事件，CNN的報(bào)道中，脫碳研究投資公司Carbon Direct的首席科學(xué)家胡利奧·弗萊德曼（Julio Freidmann）對(duì)這個(gè)“里程碑”解釋道：“這非常重要，因?yàn)閺哪茉吹慕嵌葋砜矗绻爿敵龅哪芰坎怀^輸入的能量，它就不能成為能源”。
而現(xiàn)在，這一切做到了。沒有輻射、沒有碳排放，如同科幻電影中的聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，只需要提供氫元素，就有能量供給。
科學(xué)家們復(fù)制了“僅在恒星和太陽上可以達(dá)到的某些條件”，格蘭霍姆說：“這一里程碑使我們朝著為我們的社會(huì)提供動(dòng)力的零碳豐富聚變能源的可能性邁出了重要的一步”。
不過，這只是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的原理驗(yàn)證水平上的成功，從實(shí)際應(yīng)用的角度看，離最終的“圣杯”還差得很遠(yuǎn)。
用半個(gè)多世紀(jì)，燒開了10壺水
這次發(fā)布被美國媒體稱為是“一個(gè)醞釀了幾十年的公告”。
半個(gè)多世紀(jì)前，上世紀(jì)50年代后期，在LLNL，研究者就已經(jīng)完成了利用激光約束產(chǎn)生核聚變的概念的計(jì)算機(jī)模擬，那被稱為激光約束核聚變，或者基于激光的慣性約束聚變（ICF）。
國家點(diǎn)火裝置（NIF）則是ICF最大的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，這里是世界上最大的激光裝置，有3個(gè)足球場(chǎng)那么大。近200臺(tái)激光器產(chǎn)生的激光，集中之后用高能量轟擊一個(gè)微小的氘氚等離子體顆粒，以啟動(dòng)核聚變反應(yīng)。
這個(gè)裝置的建設(shè)從1997年開始，經(jīng)歷了美國2008年的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，到2009年完成。到2013年，NIF到達(dá)了它的第一個(gè)里程碑，通過聚變反應(yīng)釋放的能量超過了燃料吸收的能量，但距離核聚變產(chǎn)生的能量超過激光供應(yīng)的能量的“圣杯”還差一步。
2020年，美國疫情期間，NIF被迫關(guān)停，而今，這幾乎成為美國科學(xué)家們對(duì)特朗普抱怨的經(jīng)典案例。
2021年8月，NIF第一次產(chǎn)生了一個(gè)可以在極短時(shí)間內(nèi)可以自我維持的聚變反應(yīng)，卻無法復(fù)制那次實(shí)驗(yàn)。《新科學(xué)家》雜志的報(bào)道中評(píng)論：“科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了核聚變……但現(xiàn)在，他們無法復(fù)制它”……
而就在今年的8月，《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》發(fā)表了一篇關(guān)于NIF的論文《在聚變實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)勞森準(zhǔn)則的點(diǎn)火》。那篇論文有40多家機(jī)構(gòu)參與，僅署名作者就寫滿了3頁半的A4紙，文中，研究者報(bào)告他們產(chǎn)生了一種等離子體，其中產(chǎn)生的熱量不僅超過了外部加熱而且超過了所有損失，幾乎滿足了所謂的聚變點(diǎn)火勞森準(zhǔn)則，非常接近該領(lǐng)域的圣杯——通過聚變產(chǎn)生比驅(qū)動(dòng)激光脈沖中包含的凈能量更大的凈能量。
3個(gè)月后，12月5日的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們拿到了足夠的量化數(shù)據(jù)，他們實(shí)現(xiàn)了正收益。NIF的聚變反應(yīng)堆從 2.05 兆焦耳的激光功率輸出中產(chǎn)生了 3.15 兆焦耳的功率輸出——增益約為 150%。
成功地令氫原子發(fā)生聚變，在 100 萬億分之一秒內(nèi)釋放 1.3 兆焦耳的能量，即 10 千萬億瓦的功率，然而，這只是一次在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的原理驗(yàn)證水平上的成功。每次工作時(shí)間只有20-30納秒，發(fā)出的電量實(shí)際上只是“相當(dāng)于燒開 10 壺水”。而要想真正獲得商用價(jià)值，其產(chǎn)出-輸入比還需要提高約100倍。
牛津大學(xué)物理學(xué)教授賈斯汀·沃克教授在英國科學(xué)媒體中心上發(fā)表評(píng)論稱：“這確實(shí)是一個(gè)很大的進(jìn)步，但我們還需要更多。首先，我們需要得到更多的投入，以解決產(chǎn)生激光等方面的損耗（盡管近年來制造高效激光器的技術(shù)也取得了飛躍)；其次，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室原則上每天大約可以產(chǎn)生一次這種結(jié)果——聚變發(fā)電廠需要每秒產(chǎn)生十次?！?/span>
但即便如此，本次試驗(yàn)仍然是自 1930 年代以來科學(xué)探索的一個(gè)重要里程碑，為世界各地從事激光核聚變研究的同行提振信心，讓人類朝向?qū)崿F(xiàn)“人造太陽”，即可控核聚變的希望呈現(xiàn)了更大的可能性。
有了這個(gè)基礎(chǔ)，科學(xué)家和專家們需要弄清楚就是如何從更大規(guī)模的核聚變中產(chǎn)生更多的能量，以及，如何最終降低核聚變的成本，使其能夠在商業(yè)上使用。
當(dāng)然，13日的發(fā)布會(huì)上，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室主任Kim Budil表示，在商業(yè)化之前，核聚變技術(shù)仍有“重大障礙”需要克服。她說：“我認(rèn)為它正在走向前臺(tái)，并且可能通過共同努力和投資，對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行幾十年的研究可以使我們能夠建造一座發(fā)電廠?！?/span>
讓能量像太陽一樣源源不斷
萬物生長靠太陽。太陽是我們地球上正在使用的幾乎所有能量的來源，而且我們地球接收到的太陽能又僅僅是太陽產(chǎn)出能量的20億分之一。太陽能量來源于中心的核聚變。
太陽表面溫度只有6000度，可中心溫度高達(dá)有1500萬度，在高溫高壓之下，核聚變反應(yīng)可以自然地發(fā)生。核聚變，又稱融合反應(yīng)，是指將兩個(gè)較輕的核結(jié)合而形成一個(gè)較重的核和一個(gè)極輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式。兩個(gè)較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質(zhì)量耗損而釋放出巨大的能量，這一能量效率是核裂變反應(yīng)（現(xiàn)在的核電站發(fā)電原理）的4倍。
在太陽中心，其巨大的引力所產(chǎn)生的極端壓力為核聚變的發(fā)生創(chuàng)造了觸發(fā)條件。在極高密度和溫度下，原子中的電子和原子核被分開，形成等離子體。
在這些高溫高壓的等離子體中，眾多原子核（以氫核為主）相互碰撞，能夠克服彼此電荷之間排斥力，使原子核之間的吸引力將超過電排斥力，從而使它們能夠?qū)崿F(xiàn)聚變。通過4個(gè)氫核聚變?yōu)?個(gè)氦核的聚變反應(yīng)，太陽已經(jīng)為地球和宇宙提供了近50億年的光和熱，并且還有50億年的穩(wěn)定壽命。
人類第一次掌握氫核聚變反應(yīng)，是通過氫彈實(shí)現(xiàn)的。氫彈就是利用原子彈（核裂變）爆炸產(chǎn)生的能量，瞬間引發(fā)核聚變反應(yīng)。所以它是不可控的，只能用于戰(zhàn)爭(zhēng)和威懾，而不是和平建設(shè)。氫彈利用的就是氫同位素氘和氚聚變?yōu)楹さ姆磻?yīng)，爆炸中心的溫度達(dá)到了上億度（原子核越復(fù)雜，所需要的溫度越高）。
通過氫彈這種特殊的實(shí)驗(yàn)，給科學(xué)家指明了要想平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)利用核聚變來發(fā)電，即可控核聚變，至少需要上億度的高溫和相應(yīng)的物質(zhì)密度。
那么在地球上如何實(shí)現(xiàn)太陽上一般的高溫高壓等離子體呢，什么樣的容器能裝下溫度高達(dá)上億的物質(zhì)，還能讓它們?cè)谄渲芯徛匕l(fā)生核聚變呢？
另外還需要充分的約束，才能使等離子體和聚變反應(yīng)保持足夠長的時(shí)間，以獲得凈功率增益——整個(gè)可控核聚變過程實(shí)現(xiàn)其初始“點(diǎn)火”條件就需要消耗了大量的能量，因此必須達(dá)到“勞森準(zhǔn)則”，即生產(chǎn)的能量高于投入時(shí)，聚變能才能成為可用的能源。
如同太陽中心的等離子體，足夠的高溫高壓，才能使電子已獲得足夠的能量擺脫原子核的束縛，讓原子核完全裸露，為核子的碰撞準(zhǔn)備條件。而當(dāng)?shù)入x子體的溫度達(dá)到幾千萬攝氏度甚至幾億度時(shí)，原子核就可以克服斥力聚合在一起。如果同時(shí)還有足夠的密度和足夠長的熱能約束時(shí)間，釋放的能量足以維持所需的溫度和壓強(qiáng)，這種聚變反應(yīng)就可以穩(wěn)定地持續(xù)進(jìn)行。
早在1955年，英國物理學(xué)家勞森（John D. Lawson）在一份保密論文中就提出了一個(gè)準(zhǔn)則：等離子體的溫度、密度和約束時(shí)間，三者的乘積稱為“聚變?nèi)胤e”，當(dāng)它達(dá)到10^22時(shí)，聚變輸出的功率，才等于為驅(qū)動(dòng)反應(yīng)而輸入的功率，反應(yīng)能自持進(jìn)行。超過這一基本值，核聚變才“有利可圖”。1957年，相關(guān)論文才得以解密。
至此，找到實(shí)現(xiàn)勞森準(zhǔn)則的合理路線圖，成了擺在物理學(xué)家和工程師面前的國際難題。
也正是因?yàn)橛邪l(fā)展聚變能源的需求，有核國家才感到保密不利于研究的進(jìn)展，只有開展國際學(xué)術(shù)交流，才能推進(jìn)核聚變的深入研究。1958年秋在日內(nèi)瓦舉行的第二屆和平利用原子能國際會(huì)議上達(dá)成互相公開研究的協(xié)議。
兩大技術(shù)路線，誰會(huì)勝出？
在人造的物理環(huán)境中，很難實(shí)現(xiàn)超高壓與超高溫兼得，這意味著，人類必須制造出比太陽更極端的高溫環(huán)境。
在過去的幾十年里，可控?zé)岷司圩冄芯啃纬闪藘纱蠓种?。一個(gè)發(fā)展方向是NIF這類的利用超高強(qiáng)度激光在極短的時(shí)間內(nèi)輻照來產(chǎn)生聚變。
而另一種，則是磁約束聚變，即用磁場(chǎng)約束聚變物質(zhì)。這個(gè)路線的主攻方向是托卡馬克裝置（比如中國的東方超環(huán)EAST 和國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER），另外還有仿星器，反向場(chǎng)箍縮及磁鏡等裝置。另一發(fā)展方向是慣性約束聚變，主攻方向是激光聚變，另外還在研究輕、重離子束聚變及其它裝置。
托卡馬克，是磁約束裝置的幾種類型之一，這個(gè)名字是俄語“磁線圈環(huán)形真空室”的縮寫，它的構(gòu)想來自20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)科學(xué)家。
1954年，第一個(gè)磁約束裝置建成，它的形狀像一個(gè)平放的輪胎，在輪胎中，環(huán)形的磁場(chǎng)把幾億度高溫的等離子體約束在其中，于是，這種環(huán)形的磁場(chǎng)又叫磁瓶或磁籠。
托卡馬克裝置的主要特點(diǎn)是采用很強(qiáng)的縱向磁場(chǎng)，跟等離子體電流本身產(chǎn)生的角向磁場(chǎng)合成了具有回轉(zhuǎn)變換的螺距很大的螺旋型磁場(chǎng)。這種磁場(chǎng)位形基本上具備了等離子體的穩(wěn)定三要素，即平行磁場(chǎng)、磁阱和磁剪切，因而它能有效地克服各種宏觀不穩(wěn)定性。
因此，托卡馬克是用于生產(chǎn)可控?zé)岷撕司圩兡苤械囊粋€(gè)最被深入研究的候選類型。事實(shí)上，在NIF本次突破之前，托卡馬克類型的磁約束研究常被認(rèn)為是領(lǐng)先于其他途徑，是最有可能率先成功的可控聚變方式。
六十年來，全世界共建造了上百個(gè)托卡馬克裝置，在改善等離子體加熱和磁場(chǎng)約束上下足了功夫。
在1970年，蘇聯(lián)托卡馬克裝置T-3上實(shí)現(xiàn)了核聚變能量輸出，能量增益因子Q值為十億分之一。等離子體約束時(shí)間很短，大多以毫秒計(jì)算，由此各國開始建設(shè)大型托卡馬克的熱潮。美國TFTR，歐洲JET，日本JT-60和俄羅斯的T-15，就是表現(xiàn)特別突出的四個(gè)研究裝置。
1997年9月22日，聯(lián)合歐洲環(huán)JET又創(chuàng)造輸出功率為12900千瓦的世界紀(jì)錄，Q值達(dá)0.60，持續(xù)時(shí)間2秒。僅過了39天，輸出功率又提高到1.61萬千瓦，Q值達(dá)到0.65。
人們發(fā)現(xiàn)，托卡馬克裝置中約束等離子體的磁場(chǎng)，雖然不怕高溫，卻很不穩(wěn)定。為了維持強(qiáng)大的約束磁場(chǎng)，需要非常強(qiáng)大的電流，時(shí)間長了，線圈就要發(fā)熱，壽命非常有限。為了解決這個(gè)問題，人們把最新的超導(dǎo)技術(shù)引入到托卡馬克裝置中，使磁約束連續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行成為現(xiàn)實(shí)。
托卡馬克與NIF方式究竟哪個(gè)會(huì)勝出？
一位研究者告訴筆者：“NIF和托卡馬克都是有類似的瓶頸，那就是如何實(shí)現(xiàn)能量正收益。托卡馬克主要的問題是第一壁的材料，如何長時(shí)間約束高溫等離子體，實(shí)現(xiàn)可自持的核反應(yīng)。NIF這樣的激光慣性約束聚變中，材料問題不是主要問題，畢竟反應(yīng)的靶丸（capsule）非常小，反應(yīng)不具有可持續(xù)性也是很大問題，然而，反應(yīng)能量的輸出和轉(zhuǎn)移并沒有托卡馬克成熟?！?/span>
目前的中國，我們有自己的托卡馬克裝置——先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)，也是世界上最大的托卡馬克裝置ITER的重要參與方。ITER于2006年啟動(dòng)，是之前各種技術(shù)的集大成者，其目標(biāo)是產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，離子溫度1.5億度，維持至少400秒，放電3000秒，能量增益Q＞10。
制版編輯 | 小圭月
