美國能源部13日宣布，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的國家點火裝置(NIF)首次實現(xiàn)了所謂的“能量凈增益”，即核聚變反應產(chǎn)生的能量超過輸入的能量。美國媒體對此給予高度稱贊，將其形容為“幫助人類在實現(xiàn)零碳排放能源的進程中邁出關鍵一步”。長期以來，可控核聚變被視為解決人類能源供應問題的終極解決方案。美國在該領域取得的這項重大突破，是否意味著人類即將徹底解決能源危機?
清潔能源的“圣杯”?
根據(jù)美國能源部和國家核安全局發(fā)布的聯(lián)合聲明，NIF一直在嘗試用高能激光轟擊核聚變材料，借助激光產(chǎn)生的高溫高壓實現(xiàn)核聚變。12月5日，該研究團隊將2.05兆焦的激光聚焦到核聚變材料上，產(chǎn)生了3.15兆焦的能量，能量增益首次大于1，達到了“點火”標準。
美國有線電視新聞網(wǎng)(CNN)稱，盡管單從數(shù)據(jù)上看，這次實驗產(chǎn)生的能量“只夠燒開10壺水”，但它的意義非常重大。根據(jù)核聚變反應的勞森準則，當核聚變的能量產(chǎn)出率大于能量損耗率，并且有足夠的能量被系統(tǒng)捕獲和利用，就可以被稱為“點火成功”。但在過去幾十年中，這一直是科學家們未能實現(xiàn)的夢想。NIF從2010年開始正式的點火實驗，用了10多年時間才夢想成真。
科學家在美國國家點火裝置內部進行檢查。
中國工程院院士杜祥琬14日接受《環(huán)球時報》記者采訪時解釋說，美國此次公布的“激光可控核聚變點火實驗”可以通俗地理解為，NIF設置了一個“小靶子”，“靶子”中有熱核材料，然后利用高能激光照射“小靶子”，點燃里面的熱核材料產(chǎn)生核聚變，最后輸出的能量就是核聚變能。這次實驗實現(xiàn)了“產(chǎn)生的核聚變能大于輸入的激光能”，這是一個重大的進步，具有科學意義，但是離實現(xiàn)高增益還有距離。
杜祥琬還指出，該實驗的定位也不是商用的能源裝置，美國此次開展的激光能可控核聚變，根本目的是研究核武器相關的物理問題。
據(jù)介紹，美國國家點火裝置由美國能源部下屬管理核武器的國家核安全局負責運行，它的主要任務是實現(xiàn)能產(chǎn)生高能量的聚變反應，并為美國核武器儲備的維護提供指導。這可以幫助美國繞過因《全面禁止核試驗條約》而停止的地下核試驗，轉而以較小的規(guī)模進行核反應實驗，并從中收集數(shù)據(jù)。LLNL的武器物理和設計項目主任馬克·赫爾曼表示，該實驗本身就創(chuàng)造了非常極端的環(huán)境，更加接近于核武器爆炸。
現(xiàn)在有兩條技術路徑
據(jù)國際原子能機構的定義，核聚變反應是較輕的原子核結合成較重的原子核，這一過程會釋放出巨大能量。盡管人類早就通過氫彈驗證了核聚變蘊含的巨大能量，但在可控核聚變方面卻始終進展緩慢，這是因為核聚變需要極高的溫度和壓力條件才能進行。
杜祥琬介紹說，為實現(xiàn)核聚變的條件，當前可控核聚變主要分為兩條技術路徑。其中之一是高功率激光作為驅動器的慣性約束核聚變，代表就是美國國家點火裝置。它是世界上最大的激光裝置，造價高達35億美元，可以動用近200臺激光器產(chǎn)生的高能激光集中轟擊一個微小的核聚變材料靶標，以啟動核聚變反應。杜祥琬透露，中國也有類似的高能激光裝置。公開材料顯示，中科院與中物院聯(lián)合研制的“神光II”型高能量聚變激光器已于2000年建成投入運行。
而另一條技術路徑是磁約束聚變，即用磁場約束超高溫和高壓的聚變物質。這個路線的主攻方向是托卡馬克裝置。杜祥琬表示，其典型代表是位于法國南部的“國際熱核聚變實驗堆(ITER)”，中國是這項計劃的重要參與國。此外中國還在合肥、成都建造有自己的托卡馬克裝置，它們承擔的就是開展獲取可控核聚變能源的實驗。
杜祥琬表示，對于可控核聚變的兩種不同技術路線，學界的主流認識認為，托卡馬克裝置離實現(xiàn)商用級可控核聚變更有希望。
距離實用化還有多遠?
美國能源部部長格蘭霍姆表示，核聚變的商業(yè)化或許可能會在未來的“幾個十年”內實現(xiàn)，大概率不會是之前預計的“五六十年”，但科學界普遍對于可控核聚變的商業(yè)化前景持謹慎態(tài)度。英國《金融時報》稱，盡管該實驗產(chǎn)生的能量比激光器輸入的能量高，但光是激光器運行就需要約300兆焦的能量，就整個系統(tǒng)而言，產(chǎn)生的能量仍微不足道。此外，從聚變熱能轉化為電力的過程中還會有能量損失，“因此可以說，國家點火裝置的實驗結果是一項科學上的成功，但離提供可用的、充足的清潔能源還有很長一段路要走。”美國《華盛頓郵報》稱，如果要制造足夠大的設備大規(guī)模產(chǎn)生核聚變能量，將需要極其難以生產(chǎn)的材料。同時，反應產(chǎn)生的中子會給設備帶來巨大壓力，令其在反應過程中被摧毀。
杜祥琬表示，人類離實現(xiàn)可控核聚變的實用化，也就是造出所謂的“人造太陽”，現(xiàn)在還有距離，但要強調的是，人類離實現(xiàn)這一愿景并沒有原理性的障礙，我們已經(jīng)看到全人類為實現(xiàn)這一目標取得了許多技術進步和突破。“至于還要多久才能實現(xiàn)這一目標，有業(yè)內專家認為還需要二三十年，我認為可能需要的時間更長一點，相關領域專家曾對我說過一句話，核聚變能發(fā)電，點燃的第一盞燈會在中國亮起，對此我很贊賞，相信本世紀我們一定可以實現(xiàn)這一夢想。”
