可控核聚变里程碑：美能源部宣布世界首次激光核聚变点火成功

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据美国能源部 (DOE) 和国家核安全局 (NNSA)宣布，12月5日，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置 (NIF)进行的一次实验中，研究团队使用192道强大的激光束击中一个只有一颗胡椒大小的氢同位素固体目标，结果产生了3.15兆焦耳的能量，这比用来触发反应输入能量（2.05兆焦耳）多了近50%。该实验首次完成了受控聚变实验中的一个重要里程碑，即可控核聚变产生的能量多于驱动装置所用的激光能量。其发言人宣称：这一历史性成就将提供对清洁聚变能源前景的宝贵见解，将改变游戏规则，以实现美国的核聚变研究目标——零碳经济。

众所周知，聚变能是最具潜力、最稳定的清洁能源，也是太阳能量的主要来源。 核聚变反应是两个较轻核子结合产生较重核子的能量反应。核子合并时，会丧失部分质量，根基质能方程，这部分质量将转化为能量释放出来。自上个世纪科学家提出核聚变理论以来，以可控热核聚变为目标的物理研究和技术发展在国际上已经进行了半个多世纪。

聚变能是人类社会的未来，这一点在学界几乎没有争议。Carbon Direct首席科学家、劳伦斯利弗莫尔前首席能源技术专家Julio Friedmann表示，“与煤不同，产生聚变能只需要少量的氢。而氢是宇宙中最丰富的东西。它就存在于水中，因此产生这种能量的物质近乎无限的，且完全干净。” 一杯水中的氘再加上一点氚，就可以满足一个家庭一年的能量需求，这个诱惑实在太大了。

然而，要进行核聚变反应却十分困难。劳森判据（Lawson criterion）指出了维持核聚变反应堆中能量平衡的条件：（1）足够高的温度（离子温度）；（2）一定的密度（离子密度）；（3）一定的能量约束时间。这三者的乘积被称为聚变三乘积。根据劳逊判据，只有聚变三乘积大于一定值（5×1021m−3·s· keV ），才能产生有效的聚变功率输出。

首先是高温。由于原子核带正电，必须在极高温下才能获得足够的能量，以克服彼此间的库仑势垒，使得原子核足够靠近，这时它们通过量子隧穿效应产生核聚变反应的几率才会更大。值得注意的是，尽管太阳核心温度已经高达1500万摄氏度，但仍远未达到核聚变反应的要求。根据量子隧穿效应，太阳内部发生聚变的几率只有10^28分之一。

太阳依赖其巨无霸的质量规模，即便核聚变发生的概率如此之低，仍能释放可观的能量。但要在地球上实现可控核聚变反应，就势必要求反应更加高效。因此，反应装置的温度大约需要维持在一亿摄氏度以上，才能获得较高的反应几率，而这个温度已经是太阳核心温度的近十倍。

其次是密度，用以衡量等离子体约束区单位体积内粒子的个数。这个也不难理解，因为保持足够的密度，意味着单位体积内会拥有更多的氘、氚原子核，能够有效提高原子核间的碰撞效率，以获得足够的核聚变反应率。

最后是能量约束时间，高温等离子体的能量以辐射和热传导的形式逸出。等离子体总能量热传导损失所需时间被定义为能量约束时间，这也是聚变装置重要指标。高能量约束时间意味着装置具有良好的隔热性能，能量流失得缓慢，这也会以进一步提高核聚变反应率。

难度还不仅仅在于条件的苛刻。即便达到了聚变反应的条件，人们也还要对高温聚变物质进行约束，以便实现反应稳定持续进行，即延长可控聚变反应时间，获得持续的核聚变能。目前实现可控聚变约束主要有两大方案：

1、磁约束聚变(Magnetic Confinement Fusion，MCF)。磁约束利用磁场对运动原子核产生的洛伦兹力产生约束。聚变燃料在极高温下会完全电离为由原子核和自由电子组成的等离子体，倘若让这团等离子体置身于强磁场的空间，那么带电的原子核与电子在垂直于磁场方向不再自由只能沿着磁场方向做回旋运动，从而受到约束。

MCF主要以托克马克(Tokamak)装置为主，国际上具有代表性的托克马克装置有美国DIIID、欧洲的JET、日本JT-60、俄罗斯T-15等。目前，世界上多个国家正在合作建设国际热核聚变实验堆(ITER)，中国也是该项目的主要参加国之一。

2、惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)。惯性约束以多束极高精度的激光从四面八方向一个非常微小的聚变燃料丸倾注巨大的能量，引发内爆产生瞬间的高温和高压，巨大的压力使聚变燃料的密度在短时间达到极限值，从而引发核聚变反应。相对于MCF，ICF具有驱动部分与聚变反应堆部分在空间上分离、互不干扰的优点。它利用内爆产生的向心运动物质的惯性来约束高温热核燃料等离子体。LLNL的聚变实验就是依赖这种技术方案。

1960年激光问世以后，美国和前苏联就开始进行激光聚变研究。然而当时的技术和工艺水平远不能达到驱动聚变反应所需的激光功率和能量。1972年，LLNL系统研究了利用激光器直接驱动DT(氘氚)微球内爆实现高压缩热核聚变的技术途径。此后，ICF研究进入快速发展时期。在这些研究的基础上，美国国家点火装置(National Ignition Facility，NIF)于2009年建成，并于2010年开始进行点火物理实验。十多年来，NIF的许多研究都产生了较大影响。各国也随之计划兴建设巨型激光设施。

美国能源部长Jennifer M. Granholm声称：“这是一项具有里程碑意义的成就，他们的职业生涯致力于让聚变点火成为现实。” 在可控核聚变中，所谓点火，是指聚变反应可以持续，此时的输出能量远大于输入能量。因此，从这个意义上来说，称该实验点火成功仍稍有不妥，因为该实验也只是刚刚超过了能量收支平衡点一部分而已。当然，这仍然是可控核聚变技术一个非常重要的里程碑。

但实验成果距离人们在生活中使用上清洁的聚变能，毕竟道阻且长。劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任Kim Budil表示，如果想将这一成果商业化，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服，可能还需要几十年的努力和投资。伦敦帝国理工学院惯性聚变研究中心主任Jeremy Chittenden表示：“目前，人们所做的每项核聚变实验都意味着大量的时间和金钱，我们需要大幅降低成本。”

除此之外，如何收集能量并将其作为电能输送到电网，也是有待攻克的难题。据研究人员估计，核聚变能够产生无限量的清洁能源，还需要数年甚至数十年的时间。而气候变化带来的环境影响让时间显得异常紧迫。Friedmann说：“在未来二、三十年内，聚变能很难对减缓气候变化做出有意义的贡献。如果将聚变能的大规模应用比作内燃机的发明，那么目前的成就才相当于是点燃了第一根火炬。”

就磁约束核聚变方案而言，中国的技术路线是明确的，即全超导托克马克。为了开展我国磁约束聚变堆总体设计研究，中国聚变工程试堆CFETR (China FusionEngineering Test Reactor) 项目应运而生，它是聚变堆发电从实验堆过渡到原型电站不可或缺的工程堆。2014年底，CFETR完成了工程概念设计。2017年中“中国聚变工程实验堆集成工程设计研究” 项目获批。CFETR目前已经完成了总体设计并开始了工程设计，计划于2030年建成。

中国聚变工程堆CFETR建筑群效果图

ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是目前正在建设的世界上最大的实验性托卡马克核聚变反应堆。该组织成立于2007年，由七个成员实体资助和运行包括中国、欧盟、印度、日本、中国、俄罗斯、韩国、美国。该项目预期将持续30年，其中10年用于建设，20年用于运行，耗资超过百亿美元。ITER是各国建实用聚变堆前最重要的共担风险的堆工程技术和堆物理技术的集成发展研究，将为建造未来具有实用意义的聚变堆奠定基础。

而就惯性约束核聚变方案而言，我国也有相应技术布局。在神光-II(1986 年)与神光-III原型装置(2006年)的研究和开发基础上，中物院激光聚变研究中心会同国内200多家单位协作，设计并搭建神光-III主机激光装置(SG-III)。在目前已建成用于ICF研究的激光装置中，神光-III主机激光装置的总体规模和性能位列亚洲之一、世界之二，仅次于美国NIF装置，已达到国际先进水平。

毫无疑问，目前中国是世界各主要聚变研发国家中支持力度最大的国家之一 。随着ITER项目的建成和实验验证，以及我国聚变技术的发展， 聚变能在我国的应用前景仍然非常值得期待。