談及核聚變成功，人們聽得最多的就是“還有50年”。2022年年末，一則來自美國的消息再度引發(fā)人們對這一技術(shù)的興趣。

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2022年12月13日，美國能源部、美國國家核安全管理局、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會，宣布“國家點燃實驗設(shè)施”（NIF）在2022年12月5日的一次實驗中首次實現(xiàn)了聚變能量超過輸入能量。

據(jù)悉，該項目實驗中利用激光發(fā)射器輸出了2.05兆焦耳能量，引發(fā)的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生了3.15兆焦耳的能量，反應(yīng)產(chǎn)生的能量比用于產(chǎn)生它的激光中所包含的能量多，約為1.5倍。

消息一出，互聯(lián)網(wǎng)上就出現(xiàn)各種聲音，準備“下?！睋平鹫哂兄?，某投資人甚至聲稱，核聚變發(fā)電馬上就來了；馬上聯(lián)想到政治者有之，有觀點認為，這是美國在敲打沙特——以后不需要石油了。

問題是，這一技術(shù)突破對核聚變發(fā)電的意義有多大？

《經(jīng)濟學(xué)人》以“美實現(xiàn)‘核聚變突破’？噱頭大于現(xiàn)實”為題進行報道。該文章認為，新聞可能選擇性地夸大了氘作為核聚變?nèi)剂系膬?yōu)點，卻輕易地忽略了其他事實。

中國工程院院士杜祥琬對這一實驗成果保持了更謹慎的看法。他表示，美國國家點火裝置實現(xiàn)的凈能量增益，是科研上的進展，但離產(chǎn)生上百倍的高增益目標還差得很遠，更不用說變成真正清潔、無限能量的“人造太陽”。學(xué)界基于激光約束的核聚變試驗實現(xiàn)了能量正增益，互聯(lián)網(wǎng)上有人對此激動不已，準備“下?！睋平?。主流看法認為，托卡馬克裝置的磁約束核聚變實現(xiàn)商用化更有希望，是真正走向聚變能的技術(shù)途徑。

有專家表示，LLNL的核聚變實驗產(chǎn)生的能量只能燒開10壺水，而為了產(chǎn)生這些能量，NIF在整個過程中消耗了高達322兆焦耳的能量。據(jù)報道，NIF從1997年開工到2009年正式落成，總投入不低于35億美元。

激光約束路線一波三折

從原理上看，核聚變就是將兩種較輕的元素結(jié)合在一起，形成較重的元素的過程。簡而言之，這與太陽提供能量的方式相同，即氫原子的質(zhì)子以令人難以置信的高溫猛烈碰撞，融合在一起產(chǎn)生氦原子。

在地球上，核聚變是通過融合元素氘（重氫，D）和氚（超重氫，T）來實現(xiàn)的。氘的含量非常豐富，可以在水中找到，尤其是海洋中；而氚的含量較低，主要存在于大氣中，是宇宙輻射的結(jié)果。此外，氚也可以在核爆炸中產(chǎn)生，是核反應(yīng)的副產(chǎn)品。

太陽的巨大引力使它能夠聚變氫原子，但要在地球上創(chuàng)造聚變，科學(xué)家需要施加大約1億攝氏度的溫度和極高壓力，要比太陽核心溫度高約10倍。

多年來科學(xué)家一直在探索如何利用激光使氫原子發(fā)生核聚變，但過程并不順利，可謂一波三折。

1972年，美國物理學(xué)家Nuckolls首次在《自然》雜志發(fā)表了基于內(nèi)爆方式的激光聚變方案，又稱中心點火方案。這一年，被學(xué)術(shù)界稱之為激光聚變元年。

LLNL自1997年始，便以實現(xiàn)聚變能量輸出大于輸入的激光能量為目標，建設(shè)了擁有192路、總能量約為2兆焦的NIF——采用間接驅(qū)動方案，192路激光從圓柱金質(zhì)黑腔的上下底面入射，輻照在黑腔內(nèi)壁上，產(chǎn)生空間均勻的X射線輻射場。X射線輻照在置于黑腔中心的氘、氚燃料靶丸外表面，產(chǎn)生燒蝕、壓縮、點火。

“隨著密度、溫度的增加，燃料中心區(qū)域壓強可以與太陽核心的壓強相當(dāng)，從而引發(fā)聚變反應(yīng)。當(dāng)聚變功率超過了能量損失功率時，形成可自持燃燒的熱斑，即為點火。當(dāng)燃燒波從熱斑向外擴散時，點燃周圍燃料，實現(xiàn)凈能量增益?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)物理與天文學(xué)院長聘教軌副教授吳棟說。

據(jù)媒體報道，2021年8月8日，NIF采用了更大的靶丸尺寸與更小的激光入射孔徑，獲得了1.35兆焦的能量輸出，能量增益達到了0.7，相較于同年先前的實驗發(fā)射能量產(chǎn)出增加了近十倍。當(dāng)時的實驗首次證明NIF已經(jīng)實現(xiàn)了物理意義上的點火。如今，NIF又有了新的突破，2022年12月5日，實現(xiàn)了聚變能源意義上的凈能量增益。

LLNL的主任金·巴迪爾說：“在實驗室中所追求的聚變點火，是人類有史以來所應(yīng)對的最重要的科學(xué)挑戰(zhàn)之一，實現(xiàn)它是科學(xué)的勝利、工程的勝利，但最為重要的是人類的勝利。”

據(jù)《華爾街日報》報道，2022年12月1日，核聚變初創(chuàng)公司CommonwealthFusionSystems表示，已經(jīng)籌集到了超過18億美元的投資。這一數(shù)字，刷新了核聚變私人投資額的新紀錄。比爾·蓋茨、喬治·索羅斯、馬克·貝尼奧夫等一眾投資大佬，以及谷歌的母公司Alphabet、DFJGrowth等企業(yè)紛紛參與投資。

我國兩大技術(shù)路線均有布局

核聚變領(lǐng)域的主流技術(shù)主要包括磁約束和慣性約束（激光約束）兩大路線。我國在這兩條技術(shù)路線上都有布局。

在激光約束領(lǐng)域，20世紀60年代，激光器一問世，科學(xué)家們就開展了激光核聚變的研究。當(dāng)時，蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫和中國科學(xué)家王淦昌分別獨立提出了用激光照射在聚變?nèi)剂习猩蠈崿F(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的構(gòu)想，開辟了實現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的新途徑——激光核聚變。

1974年，中國采用一路激光驅(qū)動聚氘乙烯靶發(fā)生核反應(yīng)，并觀察到氘氘反應(yīng)產(chǎn)生的中子。此外，著名理論物理學(xué)家于敏在20世紀70年代中期就提出了激光通過入射口、打進重金屬外殼包圍的空腔、以X光輻射驅(qū)動方式實現(xiàn)激光核聚變的概念。1986年，中國激光核聚變實驗裝置“神光”研制成功。

在磁約束領(lǐng)域，自1960年開始，中國以“托卡馬克”為主要研究途徑，基于此技術(shù)先后建成并運行三大聚變反應(yīng)堆：華中科技大學(xué)的J-TEXT裝置、核工業(yè)西南物理研究院的HL-2M裝置和中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所素有“人造太陽”之稱的EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置（東方超環(huán)），向國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆（ITER）計劃提供結(jié)果。

20世紀80年代，中國制定了“三步走”——熱堆、快堆、聚變堆的核能發(fā)展戰(zhàn)略，隨后加入ITER計劃，進一步推動中國聚變能源研究進入國際陣營，為建成中國自己的核聚變反應(yīng)堆做準備。

科技部中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心副主任王敏曾表示，通過參加ITER計劃，中國無論是聚變技術(shù)，還是國際大科學(xué)工程管理都有了大幅度提升?？梢哉f，在參與ITER計劃的各方中，中國是進步最快、加速度最大的一方。

2020年12月，中國新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置（HL-2M）在四川成都的核工業(yè)西南物理研究院正式建成并實現(xiàn)首次放電；2021年12月，中國“人造太陽”EAST成功實現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運行，成為世界上托卡馬克裝置實現(xiàn)的最長時間高溫等離子體運行，打破世界紀錄；2022年10月，中國宣布HL-2M裝置的等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造可控核聚變裝置運行新紀錄。

根據(jù)規(guī)劃，中國以現(xiàn)有中、大型托卡馬克裝置為依托，瞄準國際核聚變前沿課題研究，在磁約束聚變領(lǐng)域建立了近期、中期和遠期技術(shù)目標。中國聚變工程實驗堆的規(guī)劃是：到2050年，聚變工程實驗堆實驗成功，開始建設(shè)聚變商業(yè)示范堆。

商業(yè)化前景“還有50年”？

有專家認為，前人積攢下的經(jīng)驗已經(jīng)讓核聚變顯露商業(yè)化前景。

“最近的技術(shù)進步意味著核聚變已經(jīng)不再是一個理論科學(xué)實驗，開始慢慢展現(xiàn)出商業(yè)化的潛力?！蓖黄颇茉椿鸬膶＜襊hilLarochelle認為，可控核聚變是人類獲取能量方式的一大改變，在人類歷史上，其重要性可能與掌握火種并駕齊驅(qū)。

美國初創(chuàng)企業(yè)英聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官BobMumgaard則認為，“時間，已經(jīng)將科學(xué)和工程推進至人們能想象出未來核聚變發(fā)電站樣貌的地步。現(xiàn)在雖然距離（核聚變商業(yè)化）非常接近，但尚未到達?！?/p>

也有機構(gòu)人士對此持觀望態(tài)度?！按蟛糠置襟w關(guān)注的‘凈能量收益’的科研意義大于實際，甚至有點炒作的嫌疑，所謂的核聚變發(fā)電還遙不可及。”海銀資本合伙人王煜全說，這次實驗并沒有技術(shù)上的突破，實驗成果的科研意義比較大，產(chǎn)業(yè)價值暫時可以忽略不計?！敖裉斓某晒俜糯?00倍才有應(yīng)用潛力，至于產(chǎn)業(yè)化的價值則更微小；如果規(guī)模發(fā)電的前提是規(guī)模耗電，是難以產(chǎn)業(yè)化的”。

近年來，隨著硬科技投資趨勢熱潮來臨，以及業(yè)界對新能源的高度重視，一批商業(yè)資本、風(fēng)險投資開始涌入核聚變能源的創(chuàng)業(yè)公司。

據(jù)不完全統(tǒng)計，谷歌、高盛、蓋茨基金會、紅杉中國、藍馳創(chuàng)投、中科創(chuàng)星、順為資本、和玉資本、險峰長青、聯(lián)想之星等國內(nèi)外機構(gòu)都已經(jīng)在這一領(lǐng)域布局。

2022年2月，成立于2021年的能量奇點宣布完成近4億元人民幣的首輪融資，米哈游和蔚來資本領(lǐng)投，紅杉中國種子基金和藍馳創(chuàng)投跟投。該公司計劃，融資主要用于研發(fā)和建設(shè)基于全高溫超導(dǎo)材料的小型托卡馬克實驗裝置，以及研發(fā)可用于下一代高性能聚變裝置的先進磁體系統(tǒng)。

2022年6月，陜西星環(huán)聚能科技有限公司正式對外宣布，完成數(shù)億元天使輪融資，用于可控聚變能開發(fā)。順為資本、中科創(chuàng)星、昆侖資本等十多家機構(gòu)參與投資。陜西星環(huán)聚能科技有限公司成立于2021年，獲得本輪融資后，將在陜西省西咸新區(qū)建設(shè)球形托卡馬克聚變裝置。

事實上，在主流技術(shù)之外，還有一個用超聲波觸發(fā)核聚變的技術(shù)路線。2003年，美國科學(xué)家泰斯恩創(chuàng)建“脈沖裝置公司”，雇傭“聲致冷光”的研究人員開發(fā)直徑為6米的超聲聚變反應(yīng)堆。但近年來鮮見報道。

無論是哪條技術(shù)路線，從實驗成功走向未來的商業(yè)化，預(yù)計都需要很長時間，仍難以打破“還有50年”魔咒。但來自美國舊金山的一只蝴蝶已經(jīng)在扇動翅膀，也許正有一陣龍卷風(fēng)將要席卷古老的化石能源叢林，值得拭目以待。

（圖片來源：veer圖庫）

關(guān)鍵詞： 托卡馬克 激光核聚變 技術(shù)路線