美國能源部13日宣布，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室(LLNL)的國家點(diǎn)火裝置(NIF)首次實(shí)現了所謂的“能量?jì)粼鲆?rdquo;，即核聚變反應產(chǎn)生的能量超過(guò)輸入的能量。美國媒體對此給予高度稱(chēng)贊，將其形容為“幫助人類(lèi)在實(shí)現零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步”。長(cháng)期以來(lái)，可控核聚變被視為解決人類(lèi)能源供應問(wèn)題的終極解決方案。美國在該領(lǐng)域取得的這項重大突破，是否意味著(zhù)人類(lèi)即將徹底解決能源危機?
清潔能源的“圣杯”?
根據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(shí)現核聚變。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(diǎn)火”標準。
美國有線(xiàn)電視新聞網(wǎng)(CNN)稱(chēng)，盡管單從數據上看，這次實(shí)驗產(chǎn)生的能量“只夠燒開(kāi)10壺水”，但它的意義非常重大。根據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捕獲和利用，就可以被稱(chēng)為“點(diǎn)火成功”。但在過(guò)去幾十年中，這一直是科學(xué)家們未能實(shí)現的夢(mèng)想。NIF從2010年開(kāi)始正式的點(diǎn)火實(shí)驗，用了10多年時(shí)間才夢(mèng)想成真。
科學(xué)家在美國國家點(diǎn)火裝置內部進(jìn)行檢查。
中國工程院院士杜祥琬14日接受《環(huán)球時(shí)報》記者采訪(fǎng)時(shí)解釋說(shuō)，美國此次公布的“激光可控核聚變點(diǎn)火實(shí)驗”可以通俗地理解為，NIF設置了一個(gè)“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(diǎn)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(shí)驗實(shí)現了“產(chǎn)生的核聚變能大于輸入的激光能”，這是一個(gè)重大的進(jìn)步，具有科學(xué)意義，但是離實(shí)現高增益還有距離。
杜祥琬還指出，該實(shí)驗的定位也不是商用的能源裝置，美國此次開(kāi)展的激光能可控核聚變，根本目的是研究核武器相關(guān)的物理問(wèn)題。
據介紹，美國國家點(diǎn)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(wù)是實(shí)現能產(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(guò)因《全面禁止核試驗條約》而停止的地下核試驗，轉而以較小的規模進(jìn)行核反應實(shí)驗，并從中收集數據。LLNL的武器物理和設計項目主任馬克·赫爾曼表示，該實(shí)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。
現在有兩條技術(shù)路徑
據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(guò)程會(huì )釋放出巨大能量。盡管人類(lèi)早就通過(guò)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(jìn)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(jìn)行。
杜祥琬介紹說(shuō)，為實(shí)現核聚變的條件，當前可控核聚變主要分為兩條技術(shù)路徑。其中之一是高功率激光作為驅動(dòng)器的慣性約束核聚變，代表就是美國國家點(diǎn)火裝置。它是世界上最大的激光裝置，造價(jià)高達35億美元，可以動(dòng)用近200臺激光器產(chǎn)生的高能激光集中轟擊一個(gè)微小的核聚變材料靶標，以啟動(dòng)核聚變反應。杜祥琬透露，中國也有類(lèi)似的高能激光裝置。公開(kāi)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(shù)路徑是磁約束聚變，即用磁場(chǎng)約束超高溫和高壓的聚變物質(zhì)。這個(gè)路線(xiàn)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(shí)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(kāi)展獲取可控核聚變能源的實(shí)驗。
杜祥琬表示，對于可控核聚變的兩種不同技術(shù)路線(xiàn)，學(xué)界的主流認識認為，托卡馬克裝置離實(shí)現商用級可控核聚變更有希望。
距離實(shí)用化還有多遠?
美國能源部部長(cháng)格蘭霍姆表示，核聚變的商業(yè)化或許可能會(huì )在未來(lái)的“幾個(gè)十年”內實(shí)現，大概率不會(huì )是之前預計的“五六十年”，但科學(xué)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(shí)報》稱(chēng)，盡管該實(shí)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(gè)系統而言，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(guò)程中還會(huì )有能量損失，“因此可以說(shuō)，國家點(diǎn)火裝置的實(shí)驗結果是一項科學(xué)上的成功，但離提供可用的、充足的清潔能源還有很長(cháng)一段路要走。”美國《華盛頓郵報》稱(chēng)，如果要制造足夠大的設備大規模產(chǎn)生核聚變能量，將需要極其難以生產(chǎn)的材料。同時(shí)，反應產(chǎn)生的中子會(huì )給設備帶來(lái)巨大壓力，令其在反應過(guò)程中被摧毀。
杜祥琬表示，人類(lèi)離實(shí)現可控核聚變的實(shí)用化，也就是造出所謂的“人造太陽(yáng)”，現在還有距離，但要強調的是，人類(lèi)離實(shí)現這一愿景并沒(méi)有原理性的障礙，我們已經(jīng)看到全人類(lèi)為實(shí)現這一目標取得了許多技術(shù)進(jìn)步和突破。“至于還要多久才能實(shí)現這一目標，有業(yè)內專(zhuān)家認為還需要二三十年，我認為可能需要的時(shí)間更長(cháng)一點(diǎn)，相關(guān)領(lǐng)域專(zhuān)家曾對我說(shuō)過(guò)一句話(huà)，核聚變能發(fā)電，點(diǎn)燃的第一盞燈會(huì )在中國亮起，對此我很贊賞，相信本世紀我們一定可以實(shí)現這一夢(mèng)想。”
