輸出能量大于輸入能量！

這是核聚變領(lǐng)域的科學(xué)家在過去60多年里一直追逐的目標(biāo)。在經(jīng)歷不懈地努力后，12月5日凌晨1點(diǎn)，位于美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國家點(diǎn)火裝置（NIF）終于迎來了激動人心的時(shí)刻：研究團(tuán)隊(duì)將2.05兆焦耳的激光聚焦到一個(gè)胡椒粒大小的聚變?nèi)剂贤枭?，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出！

這是可控核聚變的一個(gè)里程碑式突破。此次的突破意味著什么？讓我們從聚變開始說起。

  什么是核聚變?  

核聚變是兩個(gè)輕原子核相互碰撞形成重原子核，并釋放出大量能量的過程。

例如，在極端的溫度和壓力下，氫的兩種同位素——氘（含有一個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子）和氚（包含兩個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子）的原子核會聚變形成氦核。氦核也被稱為α粒子，其質(zhì)量略小于氘核和氚核的質(zhì)量之和。根據(jù)愛因斯坦最著名的方程E=mc2，該質(zhì)量差會以能量的形式釋放出來。

核聚變反應(yīng)。

由于光速（c）是一個(gè)非常大的數(shù)值，因此哪怕只是將一小部分的質(zhì)量（m）轉(zhuǎn)化為能量（E），都將是巨大的。

  為什么核聚變?nèi)绱酥匾?nbsp; 

幾十年來，核聚變一直是能源領(lǐng)域的“下一件大事”。就發(fā)電潛力而言，沒有任何一種能源能像核聚變那樣清潔、低碳、低風(fēng)險(xiǎn)、低廢棄物、可持續(xù)和可控。

與石油、煤炭、天然氣或其他化石燃料來源不同，核聚變不會產(chǎn)生任何溫室氣體；與太陽能、風(fēng)能或水力發(fā)電不同，它無需依賴于所需自然資源的可用性；與核裂變不同，它沒有燃料熔化的風(fēng)險(xiǎn)，也不會產(chǎn)生長期的放射性廢物。

可以說，在所有能源方案中，核聚變在發(fā)電方面是最佳的。然而問題是，盡管科學(xué)家已經(jīng)可以通過各種不同的方式實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)，但從來沒有一個(gè)持續(xù)的聚變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了所謂的“核聚變點(diǎn)火”。

  什么是核聚變點(diǎn)火？  

所謂核聚變點(diǎn)火，指的是當(dāng)聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量等于或大于輸入能量的時(shí)刻。具體來說，在聚變反應(yīng)堆中，一旦達(dá)到合適的條件，聚變反應(yīng)就會釋放出一些粒子，其中包括α粒子，這些粒子會與周圍的等離子體發(fā)生相互作用，進(jìn)一步加熱等離子體，加熱后的等離子體會釋放出更多的α粒子，最終形成一個(gè)能夠自我維持的反應(yīng)。

  NIF是個(gè)什么樣的設(shè)備？  

現(xiàn)有的聚變反應(yīng)堆可以分為兩大類，一種是慣性約束聚變反應(yīng)堆，還有一種是磁約束聚變反應(yīng)堆。國家點(diǎn)火裝置（NIF）是一個(gè)有著體育場大小的慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)裝置。它是世界上最精確、最可重復(fù)的激光系統(tǒng)。

NIF能精確地對多達(dá)192束強(qiáng)大的激光進(jìn)行引導(dǎo)、放大、反射和聚焦，讓它們在十億分之一秒的時(shí)間內(nèi)，射向一個(gè)只有厘米大小的被稱為腔靶的空心圓柱體。在腔靶中，懸浮著一顆胡椒粒大小的燃料丸，燃料丸內(nèi)裝有氫同位素——氘和氚。

2022年12月5日，LLNL的NIF所采用的用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的腔靶，在腔靶中懸浮著低溫的燃料丸。（圖/LLNL）

在這個(gè)過程中，激光會輸送超過2兆焦耳的紫外線能量和500萬億瓦的峰值功率。由此會產(chǎn)生所謂的軟X射線“浴”，這些射線會燒蝕或“炸掉”燃料丸的表面，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的爆聚（implosion）。

激光照射形狀像橄欖球的NIF腔靶上，腔靶中具有一個(gè)鋁制燃料丸，這是NIF系統(tǒng)正在探索的幾個(gè)新的靶設(shè)計(jì)之一。激光通過激光入口孔進(jìn)入腔靶，撞擊腔靶的內(nèi)部并產(chǎn)生X射線。激光束被排列成兩個(gè)圓錐體——一個(gè)內(nèi)圓錐體指向腔靶的腰部，一個(gè)外圓錐體指向靠近兩個(gè)頂端的位置。當(dāng)一個(gè)能夠自我維持的聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過傳遞到靶的激光能量時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火。（圖/Jacob Long）

爆聚會壓縮并加熱燃料丸內(nèi)被部分凍結(jié)的氫同位素，使其達(dá)到只有在恒星和巨行星的核心以及爆炸的核武器中才會出現(xiàn)的壓力和溫度。這樣的極端環(huán)境會導(dǎo)致靶中的氫原子在可控的熱核反應(yīng)中聚變，氫同位素融合成氦，并釋放能量。

  NIF做到了什么？  

要評估聚變實(shí)驗(yàn)的成功與否，物理學(xué)家需要觀察聚變過程中釋放的能量與激光器輸送的能量之比，這個(gè)比值叫增益。如果增益超過1，就意味著聚變過程釋放的能量比激光輸送的能量更多。

自從第一次NIF激光發(fā)射以來，科學(xué)家便不斷創(chuàng)造能量產(chǎn)生的記錄。2018年5月，NIF向腔靶發(fā)射了創(chuàng)紀(jì)錄的2.15兆焦耳的紫外線能量。到了2021年8月8日，NIF實(shí)驗(yàn)更是破紀(jì)錄地產(chǎn)生了超過1.3兆焦耳的能量輸出，首次接近達(dá)到觸發(fā)核聚變中的點(diǎn)火的階段。

為了實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，NIF的激光能量在腔靶內(nèi)轉(zhuǎn)換成X射線，然后壓縮燃料丸，直到它爆聚，產(chǎn)生高溫高壓等離子體。（圖/LLNL）

這次，NIF的科學(xué)家在新實(shí)驗(yàn)開始之前，就對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了多次修改。除了將激光功率提高了8%左右，他們還創(chuàng)造了一個(gè)缺陷更少的腔靶，并調(diào)整了激光能量傳遞到腔靶的方式，以產(chǎn)生一個(gè)更球形的爆聚。

最終，NIF用激光向腔靶輸送了2.05兆焦耳的能量，釋放出了3.15MJ的能量。輸出的能量比輸入能量大約多了54%，增益約達(dá)到1.5，打破了NIF在2021年8月創(chuàng)下的0.7（輸出能量約1.3兆焦耳）的紀(jì)錄。

  這一結(jié)果意味著什么？  

近半個(gè)世紀(jì)以來，核聚變能源一直是能源領(lǐng)域的“圣杯”。約1.5倍的增益是一個(gè)真正歷史性的科學(xué)突破，表明NIF已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火。

但是，雖然NIF可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，它卻并非一個(gè)真正的聚變能源裝置。一個(gè)真正的聚變能源裝置需考慮的不僅僅是激光和燃料之間的單一能量比，還需考慮整個(gè)系統(tǒng)的能耗。3.15兆焦耳的聚變能雖然高于2.05兆焦耳的激光能，但在這個(gè)過程中，NIF的192個(gè)激光器消耗了300兆焦耳的能量。這意味著科學(xué)家還需努力提高效率。

在新實(shí)驗(yàn)中，NIF的研究人員做到了輸入的激光能量（藍(lán)圈）少于聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量（紅圈），實(shí)現(xiàn)了核聚變點(diǎn)火。但是他們大約使用了300兆焦耳（300MJ）的能量來創(chuàng)造這些激光。（圖片參考 / Andrew Grant & Greg Stasiewicz via Physics Today）

盡管如此，對于NIF來說，這樣的結(jié)果已經(jīng)非常值得稱贊。因?yàn)镹IF的設(shè)計(jì)初衷并非為了提高效率，而是設(shè)計(jì)成可以建造的最大激光器。雖然這樣的結(jié)果并不代表我們已經(jīng)解決了能源需求，但不可否認(rèn)的事，這是一次偉大的成功，它標(biāo)志著我們向商業(yè)核聚變邁出了巨大一步。

  已經(jīng)接近商業(yè)應(yīng)用了嗎？  

答案是否定的。自20世紀(jì)50年代初以來，核聚變反應(yīng)的研究一直在進(jìn)行。這次是首次在實(shí)驗(yàn)室中見證核聚變產(chǎn)生的能量超過其消耗的能量。然而，在核聚變成為一種可行的能源之前，我們還有很長的路要走。

這次釋放的能量約是3兆焦耳。3兆焦耳的能量有多少？為了幫助理解，哈佛大學(xué)的物理學(xué)家、化學(xué)家Adam Cohen在接受采訪時(shí)解釋道，3兆焦耳的能量僅相當(dāng)于我們吃一個(gè)果凍甜甜圈所獲得的能量，約500千卡。

即便你可能認(rèn)為500千卡的熱量已經(jīng)不少了，但考慮到這是一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的設(shè)施每八小時(shí)發(fā)射一次所獲得的能量，就會意識到就實(shí)際生產(chǎn)所需的能源數(shù)量而言，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我們所需的水平。

  還有哪些地方可以改進(jìn)？ 

如何能使這一過程更加高效，或?qū)⒊蔀檫@一領(lǐng)域接下來的研究重點(diǎn)。

NIF所能產(chǎn)生的2兆焦耳的能量，是地球上第二強(qiáng)的激光的50倍。如果能擁有更強(qiáng)的激光器和更低能耗的激光器生產(chǎn)方法，將可以大大提高系統(tǒng)的整體效率。

核聚變條件的維持是非常具有挑戰(zhàn)性的，燃料丸中的任何微小缺陷都會增加對能量的需求，并同時(shí)降低效率。在更有效地將激光能量轉(zhuǎn)移到腔靶，以及將腔靶中的X射線輻射轉(zhuǎn)移到燃料丸方面，科學(xué)家已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但目前，仍然只有大約10~30%的激光總能量轉(zhuǎn)移到腔靶的燃料丸中。

另外，燃料中的氘在海水中有著豐富的儲量，但氚則稀缺得多。核聚變本身會產(chǎn)生氚，因此現(xiàn)在研究人員希望能找到直接利用這些氚的方法。與此同時(shí)，還有其他一些方法也可以生產(chǎn)所需的燃料。在核聚變能真正投入廣泛應(yīng)用之前，還有許多其他科學(xué)、技術(shù)和工程障礙都需要克服。