肉體凡胎捧出(chu)的(de)“太陽”，是(shi)否從一開始(shi)就被黑心(xin)所(suo)污染(ran)？
年(nian)末常有大事發生，前幾日，這一碩果降落在核(he)聚變領域(yu)，即使只是不到(dao)一秒(miao)的(de)(de)突(tu)破也足以令(ling)學界興奮(fen)。當地(di)時間13日，美國(guo)(guo)能(neng)(neng)源部官員宣布，由(you)美國(guo)(guo)政(zheng)府資助(zhu)的(de)(de)加州勞倫斯·利弗莫爾國(guo)(guo)家實(shi)(shi)(shi)驗室（LLNL）“國(guo)(guo)家點(dian)燃實(shi)(shi)(shi)驗設施”進行了歷史上(shang)首次可控核(he)聚變實(shi)(shi)(shi)驗，成(cheng)功實(shi)(shi)(shi)現“凈能(neng)(neng)量增益”，核(he)聚變實(shi)(shi)(shi)驗中產生的(de)(de)能(neng)(neng)量多(duo)于用于驅動(dong)核(he)聚變的(de)(de)激(ji)光(guang)能(neng)(neng)量。
據悉，利弗莫爾實驗消(xiao)耗300兆(zhao)焦(jiao)的(de)(de)(de)激光(guang)器(qi)發射了(le)192束激光(guang)，迅速轟擊到胡椒粒大小、由氘氚制成的(de)(de)(de)燃(ran)料上(shang)，將其加熱到300萬(wan)攝氏度(du)，在高溫(wen)、高壓的(de)(de)(de)環境下破(po)開燃(ran)料表面，讓氘氚中的(de)(de)(de)氫(qing)原子(zi)融(rong)合(he)，成功(gong)實現核聚變。從結果來看(kan)，該實驗向目標輸入(ru)了(le)2.05兆(zhao)焦(jiao)耳(er)(er)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量，產(chan)生了(le)3.15兆(zhao)焦(jiao)耳(er)(er)的(de)(de)(de)聚變能(neng)(neng)量輸出，維持了(le)不到1秒，產(chan)生的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量比投入(ru)的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量多(duo)50%以上(shang)。
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，這項開啟于1997年的研究(jiu)在幾十(shi)億(yi)的投(tou)入后，終于邁出了跨越式的進展(zhan)，而(er)這一(yi)步(bu)進展(zhan)將(jiang)會(hui)對人類能源的未來模式產生(sheng)怎(zen)樣的影響？科(ke)學(xue)界又是(shi)怎(zen)樣看待這一(yi)成果的呢？
“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。在能(neng)(neng)(neng)源結(jie)構改革以前(qian)，人(ren)們利(li)用的(de)煤(mei)、石油、天然(ran)氣不僅造成了環境污染，未(wei)來也(ye)有枯竭(jie)的(de)危險，目(mu)前(qian)已經(jing)開拓使用的(de)清潔能(neng)(neng)(neng)源中，風能(neng)(neng)(neng)、水(shui)能(neng)(neng)(neng)、太陽能(neng)(neng)(neng)等受限于天氣或地理條件限制，尚且難以滿足需要。當前(qian)的(de)核(he)電站采用的(de)是核(he)裂(lie)變反應，其需要的(de)鈾、钚等元素(su)儲(chu)量有限，還會產生放(fang)射(she)(she)性，歷史上已有多例(li)核(he)電站核(he)泄漏(lou)問題仍(reng)未(wei)解(jie)決。放(fang)射(she)(she)性對自然(ran)的(de)影(ying)響不可(ke)小覷，從今年發現(xian)的(de)切爾諾貝利(li)黑色青蛙就可(ke)見一斑(ban)。
切爾諾貝利(li)核泄(xie)漏廢棄城市
核(he)聚變(bian)(bian)(bian)是(shi)(shi)(shi)核(he)能的(de)一種形式，指的(de)是(shi)(shi)(shi)兩個(ge)(ge)輕原(yuan)子(zi)核(he)結合成一個(ge)(ge)重(zhong)原(yuan)子(zi)核(he)并產生(sheng)能量的(de)過程，其原(yuan)理(li)來自于(yu)太陽——太陽發(fa)(fa)光發(fa)(fa)熱依(yi)靠也是(shi)(shi)(shi)內部不(bu)斷發(fa)(fa)生(sheng)核(he)聚變(bian)(bian)(bian)提供動力。目前我們所(suo)熟知的(de)原(yuan)子(zi)彈、核(he)電站采(cai)用的(de)則是(shi)(shi)(shi)核(he)裂(lie)變(bian)(bian)(bian)原(yuan)理(li)，即一個(ge)(ge)原(yuan)子(zi)核(he)分裂(lie)成兩個(ge)(ge)輕原(yuan)子(zi)核(he)產生(sheng)的(de)能量。
與核裂(lie)變(bian)不同的(de)(de)是，核聚(ju)變(bian)不會產(chan)(chan)生高放射(she)性的(de)(de)核廢料，輻射(she)極少(shao)，且(qie)核聚(ju)變(bian)燃料豐富且(qie)容易獲(huo)得(de)，氘(dao)可(ke)以從海水中(zhong)(zhong)提取，氚可(ke)以利用豐富的(de)(de)天然鋰生產(chan)(chan)，因此是目前(qian)研究階段(duan)最理想的(de)(de)清(qing)潔能(neng)源(yuan)。如中(zhong)(zhong)國(guo)科學(xue)院院士、中(zhong)(zhong)科院物理所(suo)(suo)研究員(yuan)張杰所(suo)(suo)說：“1立方公(gong)里海水所(suo)(suo)含的(de)(de)氘(dao)，經過聚(ju)變(bian)反應產(chan)(chan)生的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)，相當于地(di)球上(shang)所(suo)(suo)有石(shi)油(you)儲備產(chan)(chan)生的(de)(de)總(zong)能(neng)量(liang)(liang)”。
本次試驗涉及(ji)到的(de)激光核(he)聚(ju)(ju)(ju)變是(shi)實現人造(zao)太陽的(de)兩(liang)大路徑之(zhi)一，另一路徑是(shi)磁(ci)約束(shu)(shu)核(he)聚(ju)(ju)(ju)變。磁(ci)約束(shu)(shu)核(he)聚(ju)(ju)(ju)變的(de)具(ju)體應用為(wei)托(tuo)卡(ka)馬(ma)克裝置(zhi)，通電后托(tuo)卡(ka)馬(ma)克內(nei)部會(hui)產生巨大的(de)螺旋型磁(ci)場，將懸浮(fu)其中的(de)等離子體加熱到一個較高溫度，最終引發核(he)聚(ju)(ju)(ju)變。可控核(he)聚(ju)(ju)(ju)變被(bei)認為(wei)是(shi)“人類的(de)終極(ji)能源”，但經歷(li)70多年的(de)研(yan)究(jiu)，該領域仍處在實驗階(jie)段(duan)。
中國(guo)工程(cheng)院院士杜祥琬(wan)表(biao)示，對(dui)于這兩種技術(shu)(shu)路線，學界(jie)主流認識認為(wei)，托卡馬克裝(zhuang)置(zhi)的(de)磁約束核聚變實現商(shang)用(yong)化更有(you)希望，是真正走向聚變能的(de)技術(shu)(shu)途徑。
如果(guo)真的能(neng)夠完成“人造太陽(yang)”，將(jiang)會為(wei)(wei)人類帶(dai)來哪些改(gai)變(bian)(bian)？中科(ke)院等離子(zi)體物理研究所王騰(teng)對此(ci)解(jie)釋到(dao)，改(gai)變(bian)(bian)可(ke)能(neng)主要(yao)在(zai)以下幾方(fang)面：首先，能(neng)源危機迎(ying)刃而解(jie)，能(neng)源價格(ge)將(jiang)非常(chang)低廉；其次(ci)，一些因能(neng)耗限制而難以開(kai)展(zhan)的活動，包(bao)括海水淡化、星際(ji)航天(tian)等將(jiang)可(ke)以大(da)規(gui)模開(kai)展(zhan)；最后(hou)，核(he)聚變(bian)(bian)的產物為(wei)(wei)氦和(he)中子(zi)，不排(pai)放有(you)害氣體，地球上的溫室效應、酸雨、霧霾將(jiang)大(da)幅減(jian)輕乃(nai)至消失，生(sheng)態環(huan)境將(jiang)得到(dao)改(gai)善(shan)。
回到(dao)本次(ci)試驗，其中實現的(de)(de)(de)“點(dian)火”，指的(de)(de)(de)是核聚(ju)變產生的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)超過激光(guang)束打入的(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)，是可(ke)控核聚(ju)變走入現實必要的(de)(de)(de)指標之(zhi)一。“只有(you)這(zhe)種情況下，這(zhe)一裝置才(cai)有(you)望(wang)提供(gong)能(neng)(neng)源，而不只是一個耗電器。”中山大學中法(fa)核工(gong)程(cheng)與(yu)技術學院副教授王志斌向(xiang)《中國新(xin)聞(wen)周刊(kan)》解釋(shi)說，LLNL這(zhe)次(ci)的(de)(de)(de)實驗從(cong)科學層面證明(ming)了，慣性約(yue)束聚(ju)變可(ke)以實現凈能(neng)(neng)量(liang)增(zeng)益。
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——知乎一位答主(zhu)表示，此次公布(bu)的(de)凈能(neng)(neng)量(liang)(liang)增(zeng)益，是指聚(ju)變產生的(de)中(zhong)子的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)除(chu)以輸入的(de)激光的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)之比，而(er)(er)并非(fei)(fei)輸出電能(neng)(neng)到輸入電能(neng)(neng)之比，其中(zhong)存(cun)在能(neng)(neng)量(liang)(liang)增(zeng)益的(de)夸大(da)，兩者(zhe)能(neng)(neng)量(liang)(liang)增(zeng)益差125倍之多。如(ru)果從電能(neng)(neng)開始算起，而(er)(er)不是從激光能(neng)(neng)量(liang)(liang)開始算起，那么NIF實現的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)增(zeng)益也就0.008而(er)(er)已(yi)，并非(fei)(fei)大(da)于1。他(ta)還強(qiang)調，NIF作(zuo)為(wei)慣(guan)性約束(shu)聚(ju)變的(de)實驗裝置，很難(nan)再把成績提高。
另(ling)一(yi)位知乎答主認為(wei)，按(an)照NIF激光器的實(shi)際效(xiao)率，和熱機將(jiang)聚變放出的熱，轉換(huan)為(wei)有用功(gong)的效(xiao)率，不計其(qi)他(ta)問題，這裝置(zhi)現在的狀(zhuang)態不可能(neng)對外(wai)凈輸(shu)電，裝置(zhi)內部充電本身也有損耗，實(shi)際能(neng)耗更大。所以他(ta)認為(wei)整個實(shi)驗(yan)成果存在夸大，進展并不如媒體報道的那樣高。
真正的未來技術，躲不開群雄逐鹿
在清潔能(neng)(neng)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)終極技術核聚變領域(yu)，各國無論從(cong)能(neng)(neng)源(yuan)還是(shi)國防(fang)的(de)(de)(de)(de)角度出(chu)發，都始終未放棄該(gai)領域(yu)的(de)(de)(de)(de)探索。以(yi)美國來(lai)說(shuo)，據美能(neng)(neng)源(yuan)部介紹(shao)，本(ben)次(ci)試驗(yan)的(de)(de)(de)(de)主體設施(shi)——“國家點燃(ran)實驗(yan)設施(shi)”（NIF）是(shi)全(quan)球(qiu)最大(da)、能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)最高的(de)(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)系統，其(qi)使用超強激(ji)光(guang)(guang)束(shu)來(lai)產生與恒星和巨型(xing)行星核心以(yi)及核武器內部相當的(de)(de)(de)(de)溫度和壓力。美國國家核安全(quan)管(guan)理局副局長馬文·亞當斯(si)表示(shi)，激(ji)光(guang)(guang)束(shu)將大(da)量(liang)(liang)(liang)(liang)熱量(liang)(liang)(liang)(liang)集中(zhong)在一個微型(xing)球(qiu)形膠囊上，結果是(shi)一個過熱的(de)(de)(de)(de)等離子體環境，其(qi)中(zhong)反應產生的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)比用于產生它的(de)(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)中(zhong)所包含的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)多，約為(wei)1.5倍(bei)。
國家點燃實驗設施（圖源：Lawrence Livermore National Laboratory YouTube）
這(zhe)(zhe)個(ge)設施建成(cheng)(cheng)于2009年(nian)，美國國家核安全(quan)管理局在(zai)加州(zhou)的(de)LLNL建成(cheng)(cheng)了(le)這(zhe)(zhe)個(ge)國家點火裝置，在(zai)高10層、約有3個(ge)足球場大(da)的(de)建筑物中開展相關實驗。值得一提的(de)是，NIF原定(ding)目標是在(zai)2012年(nian)完(wan)成(cheng)(cheng)“點火”，但這(zhe)(zhe)一目標未能如期達成(cheng)(cheng)。由此，NIF多年(nian)來備受爭(zheng)議，業內一度認為它(ta)可能永遠(yuan)無法成(cheng)(cheng)功“點火”。
此(ci)前美國(guo)國(guo)家點(dian)火設施進行的(de)(de)多(duo)次核聚變試(shi)驗中，取得的(de)(de)最好成(cheng)績(ji)是產出(chu)與投(tou)入能量(liang)比70%。根據實驗分析(xi)，從樂觀(guan)的(de)(de)角度來看，本次LLNL核聚變反(fan)應釋放了(le)大(da)約(yue)3.15MJ的(de)(de)能量(liang)，比進入反(fan)應的(de)(de)能量(liang)多(duo)大(da)約(yue)54%，是之前1.3MJ記錄的(de)(de)兩倍多(duo)。盡管如(ru)此(ci)，NIF在試(shi)驗過程中消耗了(le)322MJ的(de)(de)能量(liang)，是本次核聚變反(fan)應釋放能量(liang)的(de)(de)102倍。
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(nian)，中(zhong)國、歐盟(meng)、美國、俄(e)羅(luo)斯、日(ri)本、韓國和(he)印度(du)共同簽署了國際熱(re)核聚變實(shi)驗堆(dui)（ITER）項目啟動協定。在今年(nian)11月，中(zhong)國負責的(de)其中(zhong)一個關鍵組成部分，增強熱(re)負荷(he)第一壁首件(jian)制造完工。
ITER項目主建筑（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12月我(wo)國(guo)合肥(fei)東方超環(huan)實現了1056秒(miao)長脈沖高參數等離(li)子(zi)體運(yun)(yun)行，是之前保持記錄的2倍還多；今(jin)年10月，中國(guo)新(xin)一代“人造(zao)太陽(yang)”HL-2M等離(li)子(zi)體電流突破100萬安培，創造(zao)了中國(guo)可控核聚(ju)變裝置運(yun)(yun)行新(xin)紀錄，標志著中國(guo)核聚(ju)變研發(fa)距(ju)離(li)聚(ju)變點火邁(mai)進(jin)了重要一步。
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的核聚變(bian)增(zeng)益屬于(yu)聚變(bian)物理范疇(chou)，不太(tai)可(ke)能為人(ren)類能源問題提供(gong)解決思(si)路。人(ren)們真正用于(yu)能源的核聚變(bian)，是(shi)一種(zhong)非(fei)爆炸(zha)性的可(ke)控(kong)的核聚變(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(zhe)就不(bu)得不(bu)提到美國(guo)國(guo)家點火裝(zhuang)置(zhi)的(de)建(jian)設背景(jing)，該(gai)裝(zhuang)置(zhi)由美國(guo)能源部下屬管(guan)理核(he)(he)武器的(de)國(guo)家核(he)(he)安全局負責運行，其主要任(ren)務是實現能產(chan)生(sheng)高能量的(de)聚(ju)變反應(ying)，并為美國(guo)核(he)(he)武器儲備的(de)維護提供指導。
武漢大學水利水電(dian)學院副教授徐明毅(yi)也曾(ceng)在(zai)今(jin)年8月發表的(de)一(yi)篇(pian)論文中(zhong)提到，出于國(guo)(guo)防和戰略安全考慮(lv)，美國(guo)(guo)、中(zhong)國(guo)(guo)、歐盟、英、日等國(guo)(guo)家和地區都在(zai)開展相(xiang)關(guan)研究，這其中(zhong)包括(kuo)美國(guo)(guo)的(de)NIF、中(zhong)國(guo)(guo)在(zai)運行的(de)最大激(ji)光聚變(bian)驅動器神光III等。
但無(wu)論(lun)是(shi)(shi)哪條技術(shu)路線(xian)，核(he)聚變(bian)商(shang)業(ye)化(hua)廣泛應用，將”人造(zao)太(tai)陽“變(bian)成現(xian)實(shi)都(dou)預(yu)計(ji)仍需要很長(chang)時間。LLNL主(zhu)任基姆·布(bu)迪勒(le)也(ye)不(bu)得不(bu)承認，實(shi)現(xian)核(he)聚變(bian)商(shang)業(ye)化(hua)可能需要數(shu)(shu)十年，核(he)聚變(bian)技術(shu)還需克服諸多(duo)障礙，包括實(shi)現(xian)每分鐘完成多(duo)次聚變(bian)點火(huo)，并擁有穩健的驅動程序系(xi)統(tong)等。在(zai)(zai)發布(bu)會當天，布(bu)迪勒(le)也(ye)明(ming)確(que)表示：“我(wo)們(men)的計(ji)算表明(ming)，激光系(xi)統(tong)有可能實(shi)現(xian)數(shu)(shu)百兆焦耳(er)的產量，實(shi)現(xian)產量的目(mu)標是(shi)(shi)有途徑的，但我(wo)們(men)現(xian)在(zai)(zai)離實(shi)現(xian)那(nei)個目(mu)標還很遠。”
寫在最后
盡(jin)管眾說紛紜，但本(ben)次“點火”終究(jiu)是國際核(he)聚變(bian)(bian)研(yan)究(jiu)的一大進步。但與其(qi)考(kao)慮維持僅不到1秒的技術何時(shi)實(shi)現(xian)商業突破為(wei)時(shi)尚早，在技術上(shang)如何降(jiang)低成(cheng)本(ben)創造高密度(du)高溫條件，讓反應維持足夠長的時(shi)間(jian)是最(zui)顯(xian)而易見的難關。“人造太陽”離(li)應用還有(you)多遠(yuan)，仍是未(wei)知(zhi)數(shu)，或許還需(xu)借用那句(ju)廣為(wei)流傳(chuan)的調(diao)侃：“核(he)聚變(bian)(bian)發電僅需(xu)20年，而且永遠(yuan)如此”。科學家們頂著(zhu)這(zhe)句(ju)調(diao)侃奮戰多年，也是因(yin)為(wei)堅信探索清潔能(neng)(neng)(neng)源為(wei)人類帶來的福祉吸(xi)引他們不能(neng)(neng)(neng)止步，太陽能(neng)(neng)(neng)、風能(neng)(neng)(neng)、水能(neng)(neng)(neng)等(deng)尚且如此，核(he)聚變(bian)(bian)領域更(geng)是任重道遠(yuan)。
參考資料：
1.《世界(jie)首次激光核聚(ju)變點火(huo)成功(gong)，“人造太陽(yang)”指(zhi)日可待(dai)？》，中(zhong)國(guo)新聞周刊
2.《鳳凰獨家 | 院士杜祥(xiang)琬(wan)：可(ke)控核聚變美國(guo)成了嗎？》，鳳凰網科(ke)技
3.《有太(tai)陽，為什(shen)么還要人造“太(tai)陽”？》，新華網
4.《美(mei)媒歡呼：美(mei)國(guo)核(he)聚變實現(xian)歷(li)史(shi)性(xing)突破， 中(zhong)方回了一(yi)句話(hua)震動全(quan)球》，野叟奇(qi)言(yan)
