作者：喬賓（北京大學先進技術研究院院長、物理學院博雅特聘教授）

宇宙中，太陽以及其他恒星內部源源不斷的能量，是通過“核聚變”方式產生的。核聚變是兩個輕原子核聚合，生成新的更重原子核的過程，其反應釋放的能量巨大，且不排放二氧化碳，與核裂變相比，它既不產生核廢料，輻射也極少，因此被稱為人類的終極能源。日前，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置實現了人類歷史上首次激光可控核聚變點火：實驗輸入2.05兆焦耳激光能量，產生了3.15兆焦耳聚變能量輸出（大約是電動汽車行駛10公里所需的能量），實現“凈能量增益”。這是人類能源史上的重大突破，從科學原理和工程技術上驗證了未來核聚變能源的可行性，開啟了人類進入清潔能源時代的大門。

勞倫斯利弗莫爾實驗室??資料圖片

【資料圖】

能源自由?可控核聚變

1905年，愛因斯坦發表了論文《論動體的電動力學》，建立了狹義相對論，推導出了物理學史上最著名的方程E=mc2，能量（E）等于物質的質量（m）乘以光速（c）的平方。這個方程告訴人們，如果能夠把物質的質量轉化為能量，將可以獲得巨大的能量收益。1克靜止物質對應的能量相當于2.1萬噸TNT炸藥爆炸釋放的能量。

隨著后來的研究，人們發現原子核與原子核或原子核與中子等粒子相互作用產生新原子核的過程中，就會出現質量虧損的現象，虧損的小部分質量會以巨大的能量形式向外釋放，這個過程被稱為核反應。

核裂變是一個重原子核分裂為兩個或多個較輕原子核的過程，裂變后原子核和粒子的總質量小于裂變前原子核和粒子的質量之和，質量能量轉化，裂變過程發出巨大能量。原子彈爆炸、核電站等都是利用了核裂變原理。

而核聚變是兩個輕原子核融合為一個較重原子核的過程，聚變前后同樣存在質量差，質量能量轉化，聚變過程釋放巨大能量。太陽等恒星內部產生的能量主要來自核聚變過程，氫彈的巨大放能也來自聚變過程。

相對于核裂變，核聚變的燃料都是輕元素。如氫的同位素（氘D，氚T），氘和氚聚變是自然界最容易發生的聚變，目前可控核聚變研究采用氘和氚為聚變燃料。核聚變能夠用少量的燃料收獲巨大的能量。據估計，如果要獲得相同的能量，需要的核聚變氘氚燃料，核裂變235U燃料和煤炭的質量之比約為1:4:8000000。換句話說，一克氘氚燃料聚變所獲得的能量就相當于燃燒8噸石油才能產生的能量。

20世紀50年代，人類開始探索在實驗室實現核聚變，即可控核聚變。然而，這卻是一件非常困難的事情——原子核帶正電，它們之間存在很強的排斥力，要讓聚變發生，原子核必須具有極高的動能才能夠克服排斥力，這要求燃料需要被加熱到超過1億攝氏度的高溫。要讓足夠多的聚變發生，單位體積中的原子核數目必須大，這樣原子核之間才能夠頻繁地碰撞、發生聚變。當然，讓原子核長時間處于能夠發生聚變的狀態，可以獲得更多的聚變能量。正是上述原因，一個系統的聚變性能與原子核平均動能（溫度）、原子核數密度（密度）和原子核處于能夠發生聚變狀態的時間（約束時間）三者直接相關。

幾十年來，科學家們已經取得巨大的進步，但仍然沒有能夠達到足以商用發電的水準，甚至曾一直沒有實現輸出能量大于輸入能量的能量增益。這是因為沒有任何一種容器可以承受超過一億攝氏度的高溫，并且在如此高的溫度下，氘氚燃料呈現出電子和原子核分離的混合狀態，被稱為等離子體態。等離子體態下的物質在內部會產生復雜的電磁場和不穩定性，使得科學家無法準確預測它的狀態，進而難以將這樣一個洪水猛獸約束在人類設計的牢籠中并達到聚變條件。

然而，研究沒有停止。因為一旦實現可控核聚變，人類將徹底掙脫能源束縛：

——人類將實現能源自由：聚變燃料氘在海洋中大量存在，取之不盡用之不竭；雖然氚不存在于自然界中，但可以通過地球富含的鋰元素轉化為氚。并且，除了氘氚聚變，科學家們也尋找到了大量的替代方案，如氫硼聚變，氘氘聚變等，都有望成為可控核聚變的燃料。

——人類將獲得能源安全：可控核聚變堆中沒有用來制造核武器的濃縮放射性材料（如钚，鈾等），并且一旦約束失敗，不穩定的等離子體會在極短的時間內冷卻，不會發生核災難。

——人類將使用清潔能源：可控核聚變的產物主要是中子和惰性元素氦，并不會產生二氧化碳造成溫室效應，也不會產生對環境造成巨大影響的放射性廢物。

為了實現可控核聚變、控制住“情緒陰晴不定”的高溫等離子體，科學家們構思出了兩種方案：一種是利用磁場約束帶電的等離子體，在低密度下運行盡量長的時間實現核聚變能量增益，被稱為磁約束聚變；第二種是將氘氚燃料存放在一個微小的靶丸中，利用多束強激光或轉化為X光燒蝕反沖壓縮燃料靶丸在短時間內實現高密度的核聚變，而一億分之一秒之后，利用燃料向外爆炸的慣性而停止燃燒，被稱之為慣性約束聚變，也稱激光聚變。

磁約束聚變由蘇聯科學家托卡馬克提出，它被設計成一個甜甜圈的形狀，通過設計磁場在甜甜圈的內部約束聚變等離子體，有望在高溫低密的條件下實現長時間的運行。2022年，中國托卡馬克裝置實現了在7000萬攝氏度的溫度下持續放電1000秒，創造了世界紀錄但仍未獲得能量增益。2006年，歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國七方正式簽署聯合實施協定，開始共同建造國際熱核聚變實驗堆（ITER），其目標正是驗證和平利用聚變能的科學和技術可行性。但ITER計劃在進展過程中遇到了不小的困難，今年提出再度延期，可能會比計劃推遲10年以上。

激光慣性約束聚變就是美國國家點火裝置采用的方案。科學家使用192束激光將2.05MJ能量注入內壁為金涂層的圓柱體黑腔，轉化為強烈的X射線均勻照射到中心裝填有氘氚聚變燃料的球形靶丸，在靶丸表面形成高溫高壓等離子體，利用反沖擊力，驅動燃料向心聚爆，壓縮和加熱聚變燃料等離子體至高溫度高密度狀態，達到聚變點火條件，在10億分之一秒的時間內，釋放了3.15MJ的聚變能量。這首次實現了聚變能量大于輸入能量超過54%的凈能量收益，標志著人類在實現可控核聚變這一“終極能源”的道路上邁出了至關重要的一步，是實現清潔能源的里程碑。

曲折發展?65年實現聚變點火

此次慣性約束聚變里程碑式的成功，再次點燃了人們對可控核聚變的熱情。但很多人不知道的是，從基本構想到如今真正實現點火，慣性約束聚變經歷了65年的曲折發展。

早在20世紀50年代后期，慣性約束聚變的構想就被提出，即利用微型炸藥或強X-ray輻射驅動激波來壓縮加熱很小質量的氘氚燃料（毫克以下），使其達到高溫高密的狀態，實現非裂變的聚變點火，隨后利用聚變放能加熱水，產生的蒸汽為傳統發電機提供動力，從而實現應用層面的發電。

20世紀60年代早期，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家納科爾斯（Nuckolls）及其合作者用計算機數值模擬了1毫克氘氚燃料的內爆點火：通過輸入5兆焦的能量可以實現50兆焦的聚變放能，達到10倍的增益。隨后經過對能量注入以及靶丸的優化，高增益聚變點火的驅動能量能被降低到1兆焦，而實現聚變點火只需要1千焦的驅動能量。此結果從理論和模擬中說明了慣性約束聚變的可行性，并且定量地給出了實現聚變點火以及高增益聚變的驅動能量，實現高增益慣性約束聚變點火的關鍵已經轉化為了尋找在極短時間內（約一億分之一秒）提供1千焦甚至1兆焦能量的驅動源。然而理想很美好，現實卻很殘酷——1千焦就可以實現點火是在完全理想的條件下得到的。實際實驗中，由于各種不穩定性、驅動不對稱性等的存在，這一模擬并未成為現實。

20世紀70年代末期，隨著激光技術的迅速發展，高功率激光作為驅動源讓可控慣性約束聚變從理論走向了實際。總輸出能量達到10千焦的Shiva激光器被首先建立起來，用于在較小驅動能量下進行聚變原理驗證，但由于Shiva激光器采用的是紅外激光（波長1053納米），激光注入能量后，激光等離子體參量不穩定性顯著，產生大量的超熱電子預熱了氘氚靶丸，降低了對稱性與靶丸壓縮，遠遠沒有達到聚變點火的條件。1984年，采用3倍頻、波長為351納米的Nova激光器建造投入使用，激光能量達到40千焦—45千焦，聚變實驗如火如荼地進行，但由于不同激光束之間能量存在巨大差異導致嚴重的成絲和驅動不對稱性，最終還是走向失敗。盡管Shiva和Nova激光器點火原理驗證實驗沒有成功，但研究人員對內爆過程有了更深入的了解，前進的道路再次變得清晰：即增強輻照均勻性，降低燃料層的瑞利—泰勒不穩定性，并將驅動的激光能量增加至少一個數量級。

由此，美國國家點火裝置（NIF）應運而生。NIF是世界上最大的激光驅動慣性約束聚變裝置，于1997年開始建造，2009年正式建成投入使用，耗資約35億美元，有三個足球場的大小，可以將2兆焦的能量通過192路激光束聚焦到2毫米的空間范圍內，從而將燃料壓縮到太陽內核以及核爆炸的溫度和壓力，實現聚變點火。盡管從驅動能量層面來看，NIF已經完全達到聚變點火的要求，但是從2010年10月首次進行集成點火實驗，到2022年12月真正實現可控聚變點火，也經歷了12年，面臨大量質疑與批評。

這12年，科學家們從5000多次失敗中不斷完善和修正實驗。從2010年到2012年，NIF啟動NationalIgnitionCampaign（NIC）進行一系列點火實驗，但是由于缺乏對大能量激光器強輻射驅動的預測能力，以及沒有細致考慮參量不穩定性和流體力學不穩定性引起驅動不對稱性與燃料混合，最終實際達到壓強只有聚變所需壓強的1/3，在輸入能量為1.8兆焦的條件下，輸出能量只有約2.5千焦，遠遠沒有達到聚變點火的要求；隨后2013年10月，通過對激光脈沖整形的調整來實現提前對靶丸進行適度預熱，降低其內部的不均勻性，NIF實現了燃料增益層面的點火（氘氚燃料的動能為10千焦，聚變放能為14千焦）。當然，這遠遠沒有達到真正意義上的點火，聚變放能遠小于激光驅動能1.8兆焦（14千焦的放能只相當于一個60瓦的燈泡亮5分鐘消耗的能量）。之后，NIF在理論預測、實驗以及精密加工技術層面進行了大量規律摸索與細致調整，優化激光脈沖與能量，量化黑腔結構與尺寸，細化靶丸組成與大小，聚變放能得到穩步的提升。2021年8月8日，NIF終于在實驗中接近了點火閾值，到達了聚變點火的門檻，輸入激光能量1.9兆焦，聚變放能1.37兆焦，能量增益達到0.72，同時聚變反應產生的中子數是與100萬億分之一秒內發生的鏈式核反應一致，對應的放能功率達到了超過10千萬億瓦（世界用電平均總功率約為32.5千億瓦）。在經歷了多輪重復失敗的實驗之后，經過對激光能量的進一步提升以及對靶丸燒蝕層厚度的微調，在2022年12月5日，NIF終于實現了能量增益大于1，實現了真正的聚變點火。

繼續探索?“終極能源”何時實現

人類歷史上首次激光可控核聚變點火，是科學研究領域的一個重大突破，證明了在實驗室實現可控核聚變的可行性，也為聚變能源的實際應用打下了堅實的基礎——從單純追求點火邁入到探索更高能量增益的聚變方案，最后在應用層面上實現聚變發電，獲得近乎取之不盡用之不竭的終極能源。

但是，每一次聚變實驗的突破都是在科學認知和工程技術上挑戰人類極限，要真正實現從科學層面上的點火到應用層面上的聚變能源仍然是長路漫漫，困難重重。

從能量轉化的角度來看，科學實驗層面能量增益大于1可以確認聚變點火的可行性，而工程增益大于1才是聚變能源應用于實際需求的必要基礎。以NIF實驗為例，其使用電能為322兆焦，激光能量為2.05兆焦，聚變放能為3.15兆焦，此時科學增益為1.54——大于1說明了科學層面的點火成功，但是工程增益僅約為0.98%，遠遠小于1。因此盡管我們實現了科學實驗研究層面上聚變點火，但從工程上講，需要提高至少100倍的能量轉化效率，才能說是實現了可控核聚變發電，獲得真正清潔、無限供應的能源。

除了能量轉化效率和增益有待提高外，NIF的硬件層面，包括激光器的穩定性和重頻以及靶丸的材料和結構也需要進一步提升和優化。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室首席科學家在慣性約束聚變能源白皮書中也指出“目前NIF仍然存在激光脈沖質量不穩定、間接驅動靶昂貴脆弱等問題”，牛津大學物理學教授賈斯汀·沃克教授在英國科學媒體中心上發表評論稱：“這確實是一個很大的進步，但我們還需要更多。首先，盡管近年來制造高效激光器的技術也取得了飛躍，但仍需要得到更多投入，以解決產生激光等方面的損耗；其次，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室原則上每天大約可以產生一次這種結果，而聚變發電廠則需要每秒產生十次。”

中國的慣性約束聚變研究起步稍晚，但也在蓬勃發展，間接驅動方案已經在國內大型激光裝置上完成了理論驗證，并且大量研究聚變中基礎物理的分解實驗也已完成，研究人員對慣性約束聚變的認識達到了世界前沿水平。同時，中國工程物理研究院賀賢土院士和中國科學院張杰院士都分別提出了新的皮實性更好和高增益的聚變點火方案。在如今可控核聚變翻開新篇章的背景下，中國的激光聚變研究者既要仰望星空，優化更皮實的激光聚變點火方案，探尋工程上聚變能源的實際應用；又需要腳踏實地，學習研究理解復雜聚變系統的物理真實，通力合作，爭取實現激光可控核聚變領域的“彎道超車”。

從目前來看，要建成商業核聚變電站，實現真正意義上的聚變能源應用仍需幾十年的努力。不僅需要科研工作人員的探索，還需要產業界的支持、公眾的投入與認可等，如此，終極能源才能真正走向現實。

《光明日報》（ 2023年01月19日?16版）

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