肉體凡胎捧出(chu)的“太陽”，是否從一(yi)開始就被黑心(xin)所污染？
年(nian)末常有(you)大事發生(sheng)(sheng)，前幾日，這(zhe)一(yi)碩果降落(luo)在核(he)聚變領域，即使(shi)只是不到一(yi)秒的(de)突破也足以令(ling)學界興奮。當地時間13日，美國能(neng)(neng)源(yuan)部官員宣布，由美國政(zheng)府資助的(de)加(jia)州勞倫斯·利弗莫爾(er)國家實(shi)驗室（LLNL）“國家點燃實(shi)驗設施”進行了歷史上首次可控(kong)核(he)聚變實(shi)驗，成功實(shi)現“凈能(neng)(neng)量(liang)增益”，核(he)聚變實(shi)驗中(zhong)產生(sheng)(sheng)的(de)能(neng)(neng)量(liang)多于(yu)用于(yu)驅動(dong)核(he)聚變的(de)激(ji)光能(neng)(neng)量(liang)。
據悉(xi)，利弗莫爾實(shi)驗消耗(hao)300兆焦(jiao)的激光器發射了(le)192束激光，迅速轟擊到胡椒粒大小、由(you)氘氚制成的燃料上，將其加熱到300萬(wan)攝氏度，在高溫、高壓(ya)的環境下破開燃料表面(mian)，讓(rang)氘氚中的氫(qing)原子(zi)融(rong)合(he)，成功(gong)實(shi)現(xian)核聚變。從結果來看，該實(shi)驗向目標輸(shu)入(ru)了(le)2.05兆焦(jiao)耳的能量(liang)(liang)，產生了(le)3.15兆焦(jiao)耳的聚變能量(liang)(liang)輸(shu)出，維持了(le)不(bu)到1秒，產生的能量(liang)(liang)比(bi)投入(ru)的能量(liang)(liang)多50%以(yi)上。
美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆稱，“這是一個具有里程碑意義的成就”，未來將激發更多的發現，為美國國防和清潔能源的發展鋪平道路。這項成果預計將可能幫助人類在實現零碳排放能源的進程中邁出關鍵一步。劍橋大學核能講師托尼·魯爾斯通對此評價到，這一結果是科學的成功——但距離提供有用、豐富的清潔能源，還有很長的路要走。至此，這(zhe)項開啟(qi)于1997年的(de)研(yan)究在幾十億的(de)投(tou)入后，終于邁出(chu)了跨(kua)越式的(de)進展，而這(zhe)一步進展將會對(dui)人類能源的(de)未來模式產生怎樣的(de)影響？科(ke)學界又(you)是怎樣看待(dai)這(zhe)一成果的(de)呢？
“人類終極能源”的火種為什么是“人造太陽”
對于美國首次實現聚變點火一事，有人認為這是人類獲得真正清潔、取之不盡能源的一大突破口。在(zai)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)結構改革以(yi)前(qian)，人們利用(yong)的(de)煤、石油、天(tian)然(ran)氣(qi)不僅造成了環境污染(ran)，未來也有枯(ku)竭的(de)危(wei)險，目前(qian)已經開拓(tuo)使用(yong)的(de)清(qing)潔能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)中，風能(neng)(neng)(neng)、水能(neng)(neng)(neng)、太陽能(neng)(neng)(neng)等受限(xian)于天(tian)氣(qi)或地(di)理條件限(xian)制(zhi)，尚且難(nan)以(yi)滿足需要。當前(qian)的(de)核電站采用(yong)的(de)是核裂變反(fan)應(ying)，其需要的(de)鈾、钚等元素儲量(liang)有限(xian)，還會產生放射性(xing)，歷史上已有多例核電站核泄漏問題仍未解決。放射性(xing)對(dui)自然(ran)的(de)影響不可(ke)小覷，從今年(nian)發(fa)現的(de)切爾諾貝(bei)利黑色青蛙就可(ke)見(jian)一斑。
切爾諾貝利(li)核(he)泄漏廢棄城市
核(he)聚變是(shi)核(he)能的(de)(de)一(yi)種形式，指的(de)(de)是(shi)兩(liang)個輕原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)結(jie)合成一(yi)個重原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)并產生(sheng)能量的(de)(de)過程(cheng)，其原(yuan)(yuan)理來自于太(tai)陽(yang)——太(tai)陽(yang)發(fa)光發(fa)熱依靠(kao)也是(shi)內部不斷發(fa)生(sheng)核(he)聚變提供(gong)動力。目(mu)前我們所熟知(zhi)的(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)彈、核(he)電站采用的(de)(de)則(ze)是(shi)核(he)裂變原(yuan)(yuan)理，即一(yi)個原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)分裂成兩(liang)個輕原(yuan)(yuan)子(zi)核(he)產生(sheng)的(de)(de)能量。
與核(he)裂變不同的(de)是，核(he)聚(ju)(ju)變不會(hui)產(chan)生高(gao)放射性(xing)的(de)核(he)廢料(liao)，輻射極少，且核(he)聚(ju)(ju)變燃料(liao)豐富且容易獲得(de)，氘(dao)可(ke)以從海(hai)(hai)水中(zhong)提取，氚可(ke)以利用豐富的(de)天(tian)然(ran)鋰生產(chan)，因此是目(mu)前研究(jiu)階段最理想(xiang)的(de)清潔能源。如中(zhong)國科學院院士、中(zhong)科院物(wu)理所研究(jiu)員(yuan)張杰所說(shuo)：“1立(li)方(fang)公里海(hai)(hai)水所含的(de)氘(dao)，經過聚(ju)(ju)變反應產(chan)生的(de)能量，相(xiang)當于地球上所有石(shi)油儲備產(chan)生的(de)總能量”。
本(ben)次試(shi)驗涉(she)及到(dao)的(de)激光核(he)聚(ju)變(bian)(bian)是(shi)實(shi)現人造太(tai)陽的(de)兩大(da)路徑之一(yi)，另一(yi)路徑是(shi)磁約(yue)束(shu)核(he)聚(ju)變(bian)(bian)。磁約(yue)束(shu)核(he)聚(ju)變(bian)(bian)的(de)具體應用為(wei)托卡(ka)馬(ma)(ma)克裝置，通電后(hou)托卡(ka)馬(ma)(ma)克內部會(hui)產生巨大(da)的(de)螺旋型磁場，將懸浮其(qi)中的(de)等(deng)離子體加熱到(dao)一(yi)個較高(gao)溫度(du)，最(zui)終(zhong)引發核(he)聚(ju)變(bian)(bian)。可控(kong)核(he)聚(ju)變(bian)(bian)被認為(wei)是(shi)“人類的(de)終(zhong)極能(neng)源”，但經(jing)歷70多年(nian)的(de)研究(jiu)，該領域仍處在實(shi)驗階段。
中國工(gong)程(cheng)院院士杜(du)祥琬表示，對于這兩種技術路線(xian)，學界主(zhu)流認識認為，托卡馬克裝置(zhi)的(de)磁約(yue)束核聚變(bian)實現(xian)商用(yong)化更有希望(wang)，是(shi)真正走向聚變(bian)能的(de)技術途徑。
如果真的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)夠完(wan)成“人(ren)(ren)造太陽(yang)”，將會為人(ren)(ren)類帶來哪些(xie)改變(bian)？中科(ke)院等離子體(ti)物理研(yan)究所王(wang)騰對(dui)此解釋(shi)到(dao)，改變(bian)可能(neng)(neng)(neng)主要在以下幾方(fang)面：首先，能(neng)(neng)(neng)源危機迎刃而(er)解，能(neng)(neng)(neng)源價(jia)格將非常低廉；其次，一些(xie)因能(neng)(neng)(neng)耗限制而(er)難以開展的(de)(de)活動，包括海水淡化(hua)、星(xing)際(ji)航(hang)天等將可以大(da)規(gui)模(mo)開展；最后，核聚(ju)變(bian)的(de)(de)產物為氦(hai)和(he)中子，不(bu)排放有害氣體(ti)，地球上的(de)(de)溫室效應、酸雨、霧霾將大(da)幅減輕乃至消失，生(sheng)態環(huan)境將得到(dao)改善(shan)。
回到(dao)本次(ci)試(shi)驗，其(qi)中實現的(de)“點火”，指(zhi)的(de)是核聚(ju)(ju)變產(chan)生(sheng)的(de)能量(liang)(liang)超過(guo)激光束(shu)打入的(de)能量(liang)(liang)，是可控(kong)核聚(ju)(ju)變走入現實必要的(de)指(zhi)標之(zhi)一。“只(zhi)有這種情(qing)況(kuang)下，這一裝置才有望提供能源，而不只(zhi)是一個耗電器。”中山大(da)學(xue)(xue)(xue)中法核工(gong)程與(yu)技術學(xue)(xue)(xue)院副教(jiao)授王(wang)志斌向(xiang)《中國(guo)新聞周(zhou)刊》解(jie)釋說，LLNL這次(ci)的(de)實驗從(cong)科學(xue)(xue)(xue)層(ceng)面證明了，慣性約(yue)束(shu)聚(ju)(ju)變可以實現凈能量(liang)(liang)增益(yi)。
但也并不是所有人都對這項成果感冒，不少人也提出了質疑——知乎一位答(da)主表(biao)示，此(ci)次公(gong)布(bu)的(de)(de)凈(jing)能(neng)量(liang)增(zeng)益，是指聚(ju)(ju)變產生的(de)(de)中子的(de)(de)能(neng)量(liang)除以(yi)輸入的(de)(de)激光(guang)的(de)(de)能(neng)量(liang)之(zhi)比，而(er)并非輸出電能(neng)到輸入電能(neng)之(zhi)比，其中存(cun)在能(neng)量(liang)增(zeng)益的(de)(de)夸大，兩者(zhe)能(neng)量(liang)增(zeng)益差125倍(bei)之(zhi)多。如(ru)果從電能(neng)開(kai)始算起，而(er)不是從激光(guang)能(neng)量(liang)開(kai)始算起，那么(me)NIF實現的(de)(de)能(neng)量(liang)增(zeng)益也就(jiu)0.008而(er)已(yi)，并非大于1。他還強(qiang)調(diao)，NIF作(zuo)為慣性約束聚(ju)(ju)變的(de)(de)實驗裝置(zhi)，很難再把成績提高。
另(ling)一位知乎(hu)答主(zhu)認為(wei)，按照NIF激光器的(de)(de)實際效(xiao)率，和熱(re)機將聚變(bian)放出的(de)(de)熱(re)，轉換為(wei)有(you)用功的(de)(de)效(xiao)率，不計其他問題，這裝置(zhi)現在的(de)(de)狀態不可能(neng)對外凈(jing)輸(shu)電，裝置(zhi)內部充電本身也有(you)損耗，實際能(neng)耗更大。所以他認為(wei)整(zheng)個(ge)實驗成(cheng)果存(cun)在夸大，進展并不如媒體報道的(de)(de)那樣高。
真正的未來技術，躲不開群雄逐鹿
在(zai)清潔(jie)能(neng)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)終(zhong)極技術(shu)核(he)聚變領域，各國無論從能(neng)源(yuan)還是(shi)(shi)國防的(de)(de)(de)(de)(de)角(jiao)度(du)出發(fa)，都始終(zhong)未放棄該領域的(de)(de)(de)(de)(de)探索。以美(mei)國來說，據美(mei)能(neng)源(yuan)部介紹，本次試驗的(de)(de)(de)(de)(de)主體設(she)施(shi)(shi)——“國家點燃實驗設(she)施(shi)(shi)”（NIF）是(shi)(shi)全球最(zui)大、能(neng)量最(zui)高的(de)(de)(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)系統，其使用超(chao)強激(ji)光(guang)(guang)束(shu)來產生(sheng)(sheng)與恒星和巨型行(xing)星核(he)心以及核(he)武器(qi)內部相當的(de)(de)(de)(de)(de)溫度(du)和壓力。美(mei)國國家核(he)安全管理局副(fu)局長(chang)馬文·亞當斯表示，激(ji)光(guang)(guang)束(shu)將(jiang)大量熱量集中在(zai)一個微(wei)型球形膠囊上，結果是(shi)(shi)一個過熱的(de)(de)(de)(de)(de)等離子(zi)體環境(jing)，其中反應(ying)產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量比用于產生(sheng)(sheng)它的(de)(de)(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)中所包含的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量多，約為1.5倍。
國家點燃實(shi)驗設施（圖源：Lawrence Livermore National Laboratory YouTube）
這(zhe)個設施建成于2009年(nian)，美(mei)國國家(jia)核安全管理局在加州的LLNL建成了這(zhe)個國家(jia)點火裝置，在高(gao)10層、約有3個足球場(chang)大的建筑物中開展相關實驗。值得一(yi)(yi)提的是，NIF原定目標是在2012年(nian)完成“點火”，但這(zhe)一(yi)(yi)目標未能(neng)如期(qi)達(da)成。由此，NIF多(duo)年(nian)來備(bei)受爭議，業內一(yi)(yi)度認為(wei)它(ta)可(ke)能(neng)永(yong)遠(yuan)無法成功“點火”。
此前美(mei)國國家點火(huo)設(she)施進行的(de)多(duo)(duo)次(ci)(ci)核(he)聚(ju)變試(shi)驗(yan)(yan)中，取得(de)的(de)最好成績是產出與投(tou)入(ru)能量比(bi)(bi)70%。根據實驗(yan)(yan)分析，從樂(le)觀的(de)角(jiao)度(du)來(lai)看，本(ben)次(ci)(ci)LLNL核(he)聚(ju)變反(fan)應(ying)釋放了(le)大(da)約3.15MJ的(de)能量，比(bi)(bi)進入(ru)反(fan)應(ying)的(de)能量多(duo)(duo)大(da)約54%，是之(zhi)前1.3MJ記(ji)錄的(de)兩(liang)倍(bei)多(duo)(duo)。盡管如此，NIF在試(shi)驗(yan)(yan)過程中消耗了(le)322MJ的(de)能量，是本(ben)次(ci)(ci)核(he)聚(ju)變反(fan)應(ying)釋放能量的(de)102倍(bei)。
目前，全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實驗堆（ITER），采用的是上文提及的托卡馬克裝置。ITER是全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，也是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。2006年，中國、歐盟(meng)、美國、俄(e)羅斯、日本、韓國和印(yin)度共同簽(qian)署了(le)國際(ji)熱核聚變實驗堆（ITER）項目啟動協定。在今年11月(yue)，中國負責(ze)的其(qi)中一(yi)個關(guan)鍵組成部分，增強(qiang)熱負荷第一(yi)壁首件(jian)制(zhi)造(zao)完工。
ITER項目(mu)主建筑（圖源：ITER官網）
據悉，中國核能發展實施的是“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰略，在磁約束和慣性約束聚變上均有研究。目前，中國磁約束核聚變技術的研究上已處于世界前列。
2021年(nian)12月我國合肥東方超環(huan)實現了(le)1056秒長脈沖高參數等離子體運行(xing)，是(shi)之前保持記(ji)錄(lu)的2倍還多；今年(nian)10月，中國新一(yi)代“人造太(tai)陽”HL-2M等離子體電流突破100萬安(an)培，創造了(le)中國可控核(he)聚(ju)變裝置運行(xing)新紀錄(lu)，標志著中國核(he)聚(ju)變研發距離聚(ju)變點火邁(mai)進了(le)重(zhong)要一(yi)步。
一場核聚變的“明修棧道，暗度陳倉”？
在為技術突破興奮之外，我們不得不對核領域保持清醒的警惕。對于該實驗真正的用意，我國科學家給出了更謹慎的解答。中國工程院院士杜祥琬在接受鳳凰網采訪時表示，美國國家點火裝置實現的凈能量增益是科研上的進展，但離產生上百倍的高增益目標還差得很遠，更不說提變成真正清潔、無限能量的“人造太陽”。LLNL的核聚(ju)變(bian)增益(yi)屬于聚(ju)變(bian)物理范疇，不太(tai)可能為(wei)人類能源問題(ti)提(ti)供(gong)解決思路。人們真正(zheng)用于能源的核聚(ju)變(bian)，是一種(zhong)非(fei)爆炸性(xing)的可控的核聚(ju)變(bian)。
更為鮮明的是，杜祥琬院士認為，美國國家點火裝置實驗目的，不是給人類提供能源解決思路，而是核武器研究。這就不(bu)(bu)得不(bu)(bu)提到美國(guo)國(guo)家(jia)點火裝(zhuang)置的(de)(de)建設背景(jing)，該裝(zhuang)置由美國(guo)能源部下屬管理核(he)武器的(de)(de)國(guo)家(jia)核(he)安全局負責運行，其主要任(ren)務是實現能產生高能量的(de)(de)聚變反應，并為(wei)美國(guo)核(he)武器儲備的(de)(de)維護(hu)提供指導。
武漢大學水利水電學院(yuan)副教(jiao)授徐(xu)明毅也曾在今年8月(yue)發表的一篇論文中(zhong)(zhong)提到，出于國(guo)防和(he)戰略(lve)安全考慮，美國(guo)、中(zhong)(zhong)國(guo)、歐(ou)盟、英、日等國(guo)家和(he)地(di)區都在開展相(xiang)關研究，這其(qi)中(zhong)(zhong)包括美國(guo)的NIF、中(zhong)(zhong)國(guo)在運行的最(zui)大激光聚變(bian)驅(qu)動器神光III等。
但無(wu)論是哪(na)條技(ji)術路線，核聚變商業化廣泛(fan)應用，將”人(ren)造太陽“變成現(xian)實都預(yu)計仍需(xu)要(yao)很長時間。LLNL主任(ren)基姆(mu)·布(bu)迪勒(le)(le)也不得不承(cheng)認，實現(xian)核聚變商業化可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)數十(shi)年，核聚變技(ji)術還需(xu)克(ke)服(fu)諸多(duo)障礙，包括實現(xian)每(mei)分鐘(zhong)完成多(duo)次(ci)聚變點火，并擁有(you)(you)穩健(jian)的(de)驅動(dong)程序系(xi)統等(deng)。在發布(bu)會當天，布(bu)迪勒(le)(le)也明(ming)確表示：“我(wo)們的(de)計算表明(ming)，激光系(xi)統有(you)(you)可(ke)能(neng)實現(xian)數百兆焦耳(er)的(de)產量，實現(xian)產量的(de)目標是有(you)(you)途徑的(de)，但我(wo)們現(xian)在離實現(xian)那個目標還很遠。”
寫在最后
盡管眾說(shuo)紛紜，但(dan)本(ben)次“點(dian)火”終究是(shi)國際核(he)聚變研究的一大進步。但(dan)與其考慮維持僅(jin)不到1秒的技(ji)術(shu)(shu)何時實現商業突破為(wei)(wei)時尚早，在技(ji)術(shu)(shu)上如何降(jiang)低(di)成本(ben)創造高密(mi)度高溫條件，讓反應維持足夠長的時間是(shi)最顯而易見(jian)的難關。“人(ren)造太陽(yang)”離應用還有多遠，仍是(shi)未知(zhi)數，或許還需借(jie)用那句(ju)廣為(wei)(wei)流傳(chuan)的調侃：“核(he)聚變發電僅(jin)需20年(nian)，而且永遠如此”。科學家(jia)們頂著這句(ju)調侃奮戰多年(nian)，也是(shi)因為(wei)(wei)堅(jian)信探索清潔(jie)能(neng)源為(wei)(wei)人(ren)類帶來(lai)的福祉吸引他們不能(neng)止步，太陽(yang)能(neng)、風能(neng)、水能(neng)等(deng)尚且如此，核(he)聚變領(ling)域更是(shi)任重道(dao)遠。
參考資料：
1.《世界首次激光核聚(ju)變點火成(cheng)功，“人造太陽”指日可待？》，中國新聞(wen)周(zhou)刊
2.《鳳(feng)凰獨(du)家 | 院士(shi)杜祥琬：可控(kong)核聚變美國成了(le)嗎？》，鳳(feng)凰網科技
3.《有太陽，為(wei)什么還(huan)要人(ren)造“太陽”？》，新華網
4.《美(mei)媒歡呼：美(mei)國核(he)聚變實(shi)現(xian)歷史性(xing)突破， 中(zhong)方回了一句話震動(dong)全球》，野叟奇言
