可控核聚变能源：人类离终极能源还有多远？

　　作者：乔宾(北京大学先进技术研究院院长、物理学院博雅特聘教授)

　　宇宙中，太阳以及其他恒星内部源源不断的能量，是通过“核聚变”方式产生的。核聚变是两个轻原子核聚合，生成新的更重原子核的过程，其反应释放的能量巨大，且不排放二氧化碳，与核裂变相比，它既不产生核废料，辐射也极少，因此被称为人类的终极能源。日前，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室国家点火装置实现了人类历史上首次激光可控核聚变点火：实验输入2.05兆焦耳激光能量，产生了3.15兆焦耳聚变能量输出(大约是电动汽车行驶10公里所需的能量)，实现“净能量增益”。这是人类能源史上的重大突破，从科学原理和工程技术上验证了未来核聚变能源的可行性，开启了人类进入清洁能源时代的大门。

劳伦斯利弗莫尔实验室 资料图片

　　能源自由 可控核聚变

　　1905年，爱因斯坦发表了论文《论动体的电动力学》，建立了狭义相对论，推导出了物理学史上最著名的方程E=mc2，能量(E)等于物质的质量(m)乘以光速(c)的平方。这个方程告诉人们，如果能够把物质的质量转化为能量，将可以获得巨大的能量收益。1克静止物质对应的能量相当于2.1万吨TNT炸药爆炸释放的能量。

　　随着后来的研究，人们发现原子核与原子核或原子核与中子等粒子相互作用产生新原子核的过程中，就会出现质量亏损的现象，亏损的小部分质量会以巨大的能量形式向外释放，这个过程被称为核反应。

　　核裂变是一个重原子核分裂为两个或多个较轻原子核的过程，裂变后原子核和粒子的总质量小于裂变前原子核和粒子的质量之和，质量能量转化，裂变过程发出巨大能量。原子弹爆炸、核电站等都是利用了核裂变原理。

　　而核聚变是两个轻原子核融合为一个较重原子核的过程，聚变前后同样存在质量差，质量能量转化，聚变过程释放巨大能量。太阳等恒星内部产生的能量主要来自核聚变过程，氢弹的巨大放能也来自聚变过程。

　　相对于核裂变，核聚变的燃料都是轻元素。如氢的同位素(氘D，氚T)，氘和氚聚变是自然界最容易发生的聚变，目前可控核聚变研究采用氘和氚为聚变燃料。核聚变能够用少量的燃料收获巨大的能量。据估计，如果要获得相同的能量，需要的核聚变氘氚燃料，核裂变235U燃料和煤炭的质量之比约为1:4:8000000。换句话说，一克氘氚燃料聚变所获得的能量就相当于燃烧8吨石油才能产生的能量。

　　20世纪50年代，人类开始探索在实验室实现核聚变，即可控核聚变。然而，这却是一件非常困难的事情——原子核带正电，它们之间存在很强的排斥力，要让聚变发生，原子核必须具有极高的动能才能够克服排斥力，这要求燃料需要被加热到超过1亿摄氏度的高温。要让足够多的聚变发生，单位体积中的原子核数目必须大，这样原子核之间才能够频繁地碰撞、发生聚变。当然，让原子核长时间处于能够发生聚变的状态，可以获得更多的聚变能量。正是上述原因，一个系统的聚变性能与原子核平均动能(温度)、原子核数密度(密度)和原子核处于能够发生聚变状态的时间(约束时间)三者直接相关。

　　几十年来，科学家们已经取得巨大的进步，但仍然没有能够达到足以商用发电的水准，甚至曾一直没有实现输出能量大于输入能量的能量增益。这是因为没有任何一种容器可以承受超过一亿摄氏度的高温，并且在如此高的温度下，氘氚燃料呈现出电子和原子核分离的混合状态，被称为等离子体态。等离子体态下的物质在内部会产生复杂的电磁场和不稳定性，使得科学家无法准确预测它的状态，进而难以将这样一个洪水猛兽约束在人类设计的牢笼中并达到聚变条件。

　　然而，研究没有停止。因为一旦实现可控核聚变，人类将彻底挣脱能源束缚：

　　——人类将实现能源自由：聚变燃料氘在海洋中大量存在，取之不尽用之不竭;虽然氚不存在于自然界中，但可以通过地球富含的锂元素转化为氚。并且，除了氘氚聚变，科学家们也寻找到了大量的替代方案，如氢硼聚变，氘氘聚变等，都有望成为可控核聚变的燃料。

　　——人类将获得能源安全：可控核聚变堆中没有用来制造核武器的浓缩放射性材料(如钚，铀等)，并且一旦约束失败，不稳定的等离子体会在极短的时间内冷却，不会发生核灾难。

　　——人类将使用清洁能源：可控核聚变的产物主要是中子和惰性元素氦，并不会产生二氧化碳造成温室效应，也不会产生对环境造成巨大影响的放射性废物。

　　为了实现可控核聚变、控制住“情绪阴晴不定”的高温等离子体，科学家们构思出了两种方案：一种是利用磁场约束带电的等离子体，在低密度下运行尽量长的时间实现核聚变能量增益，被称为磁约束聚变;第二种是将氘氚燃料存放在一个微小的靶丸中，利用多束强激光或转化为X光烧蚀反冲压缩燃料靶丸在短时间内实现高密度的核聚变，而一亿分之一秒之后，利用燃料向外爆炸的惯性而停止燃烧，被称之为惯性约束聚变，也称激光聚变。

　　磁约束聚变由苏联科学家托卡马克提出，它被设计成一个甜甜圈的形状，通过设计磁场在甜甜圈的内部约束聚变等离子体，有望在高温低密的条件下实现长时间的运行。2022年，中国托卡马克装置实现了在7000万摄氏度的温度下持续放电1000秒，创造了世界纪录但仍未获得能量增益。2006年，欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国七方正式签署联合实施协定，开始共同建造国际热核聚变实验堆(ITER)，其目标正是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。但ITER计划在进展过程中遇到了不小的困难，今年提出再度延期，可能会比计划推迟10年以上。

　　激光惯性约束聚变就是美国国家点火装置采用的方案。科学家使用192束激光将2.05MJ能量注入内壁为金涂层的圆柱体黑腔，转化为强烈的X射线均匀照射到中心装填有氘氚聚变燃料的球形靶丸，在靶丸表面形成高温高压等离子体，利用反冲击力，驱动燃料向心聚爆，压缩和加热聚变燃料等离子体至高温度高密度状态，达到聚变点火条件，在10亿分之一秒的时间内，释放了3.15MJ的聚变能量。这首次实现了聚变能量大于输入能量超过54%的净能量收益，标志着人类在实现可控核聚变这一“终极能源”的道路上迈出了至关重要的一步，是实现清洁能源的里程碑。

　　曲折发展 65年实现聚变点火

　　此次惯性约束聚变里程碑式的成功，再次点燃了人们对可控核聚变的热情。但很多人不知道的是，从基本构想到如今真正实现点火，惯性约束聚变经历了65年的曲折发展。

　　早在20世纪50年代后期，惯性约束聚变的构想就被提出，即利用微型炸药或强X-ray辐射驱动激波来压缩加热很小质量的氘氚燃料(毫克以下)，使其达到高温高密的状态，实现非裂变的聚变点火，随后利用聚变放能加热水，产生的蒸汽为传统发电机提供动力，从而实现应用层面的发电。

　　20世纪60年代早期，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家纳科尔斯(Nuckolls)及其合作者用计算机数值模拟了1毫克氘氚燃料的内爆点火：通过输入5兆焦的能量可以实现50兆焦的聚变放能，达到10倍的增益。随后经过对能量注入以及靶丸的优化，高增益聚变点火的驱动能量能被降低到1兆焦，而实现聚变点火只需要1千焦的驱动能量。此结果从理论和模拟中说明了惯性约束聚变的可行性，并且定量地给出了实现聚变点火以及高增益聚变的驱动能量，实现高增益惯性约束聚变点火的关键已经转化为了寻找在极短时间内(约一亿分之一秒)提供1千焦甚至1兆焦能量的驱动源。然而理想很美好，现实却很残酷——1千焦就可以实现点火是在完全理想的条件下得到的。实际实验中，由于各种不稳定性、驱动不对称性等的存在，这一模拟并未成为现实。

　　20世纪70年代末期，随着激光技术的迅速发展，高功率激光作为驱动源让可控惯性约束聚变从理论走向了实际。总输出能量达到10千焦的Shiva激光器被首先建立起来，用于在较小驱动能量下进行聚变原理验证，但由于Shiva激光器采用的是红外激光(波长1053纳米)，激光注入能量后，激光等离子体参量不稳定性显著，产生大量的超热电子预热了氘氚靶丸，降低了对称性与靶丸压缩，远远没有达到聚变点火的条件。1984年，采用3倍频、波长为351纳米的Nova激光器建造投入使用，激光能量达到40千焦—45千焦，聚变实验如火如荼地进行，但由于不同激光束之间能量存在巨大差异导致严重的成丝和驱动不对称性，最终还是走向失败。尽管Shiva和Nova激光器点火原理验证实验没有成功，但研究人员对内爆过程有了更深入的了解，前进的道路再次变得清晰：即增强辐照均匀性，降低燃料层的瑞利—泰勒不稳定性，并将驱动的激光能量增加至少一个数量级。

　　由此，美国国家点火装置(NIF)应运而生。NIF是世界上最大的激光驱动惯性约束聚变装置，于1997年开始建造，2009年正式建成投入使用，耗资约35亿美元，有三个足球场的大小，可以将2兆焦的能量通过192路激光束聚焦到2毫米的空间范围内，从而将燃料压缩到太阳内核以及核爆炸的温度和压力，实现聚变点火。尽管从驱动能量层面来看，NIF已经完全达到聚变点火的要求，但是从2010年10月首次进行集成点火实验，到2022年12月真正实现可控聚变点火，也经历了12年，面临大量质疑与批评。

　　这12年，科学家们从5000多次失败中不断完善和修正实验。从2010年到2012年，NIF启动NationalIgnitionCampaign(NIC)进行一系列点火实验，但是由于缺乏对大能量激光器强辐射驱动的预测能力，以及没有细致考虑参量不稳定性和流体力学不稳定性引起驱动不对称性与燃料混合，最终实际达到压强只有聚变所需压强的1/3，在输入能量为1.8兆焦的条件下，输出能量只有约2.5千焦，远远没有达到聚变点火的要求;随后2013年10月，通过对激光脉冲整形的调整来实现提前对靶丸进行适度预热，降低其内部的不均匀性，NIF实现了燃料增益层面的点火(氘氚燃料的动能为10千焦，聚变放能为14千焦)。当然，这远远没有达到真正意义上的点火，聚变放能远小于激光驱动能1.8兆焦(14千焦的放能只相当于一个60瓦的灯泡亮5分钟消耗的能量)。之后，NIF在理论预测、实验以及精密加工技术层面进行了大量规律摸索与细致调整，优化激光脉冲与能量，量化黑腔结构与尺寸，细化靶丸组成与大小，聚变放能得到稳步的提升。2021年8月8日，NIF终于在实验中接近了点火阈值，到达了聚变点火的门槛，输入激光能量1.9兆焦，聚变放能1.37兆焦，能量增益达到0.72，同时聚变反应产生的中子数是与100万亿分之一秒内发生的链式核反应一致，对应的放能功率达到了超过10千万亿瓦(世界用电平均总功率约为32.5千亿瓦)。在经历了多轮重复失败的实验之后，经过对激光能量的进一步提升以及对靶丸烧蚀层厚度的微调，在2022年12月5日，NIF终于实现了能量增益大于1，实现了真正的聚变点火。

　　继续探索 “终极能源”何时实现

　　人类历史上首次激光可控核聚变点火，是科学研究领域的一个重大突破，证明了在实验室实现可控核聚变的可行性，也为聚变能源的实际应用打下了坚实的基础——从单纯追求点火迈入到探索更高能量增益的聚变方案，最后在应用层面上实现聚变发电，获得近乎取之不尽用之不竭的终极能源。

　　但是，每一次聚变实验的突破都是在科学认知和工程技术上挑战人类极限，要真正实现从科学层面上的点火到应用层面上的聚变能源仍然是长路漫漫，困难重重。

　　从能量转化的角度来看，科学实验层面能量增益大于1可以确认聚变点火的可行性，而工程增益大于1才是聚变能源应用于实际需求的必要基础。以NIF实验为例，其使用电能为322兆焦，激光能量为2.05兆焦，聚变放能为3.15兆焦，此时科学增益为1.54——大于1说明了科学层面的点火成功，但是工程增益仅约为0.98%，远远小于1。因此尽管我们实现了科学实验研究层面上聚变点火，但从工程上讲，需要提高至少100倍的能量转化效率，才能说是实现了可控核聚变发电，获得真正清洁、无限供应的能源。

　　除了能量转化效率和增益有待提高外，NIF的硬件层面，包括激光器的稳定性和重频以及靶丸的材料和结构也需要进一步提升和优化。劳伦斯利弗莫尔国家实验室首席科学家在惯性约束聚变能源白皮书中也指出“目前NIF仍然存在激光脉冲质量不稳定、间接驱动靶昂贵脆弱等问题”，牛津大学物理学教授贾斯汀·沃克教授在英国科学媒体中心上发表评论称：“这确实是一个很大的进步，但我们还需要更多。首先，尽管近年来制造高效激光器的技术也取得了飞跃，但仍需要得到更多投入，以解决产生激光等方面的损耗;其次，劳伦斯利弗莫尔国家实验室原则上每天大约可以产生一次这种结果，而聚变发电厂则需要每秒产生十次。”

　　中国的惯性约束聚变研究起步稍晚，但也在蓬勃发展，间接驱动方案已经在国内大型激光装置上完成了理论验证，并且大量研究聚变中基础物理的分解实验也已完成，研究人员对惯性约束聚变的认识达到了世界前沿水平。同时，中国工程物理研究院贺贤土院士和中国科学院张杰院士都分别提出了新的皮实性更好和高增益的聚变点火方案。在如今可控核聚变翻开新篇章的背景下，中国的激光聚变研究者既要仰望星空，优化更皮实的激光聚变点火方案，探寻工程上聚变能源的实际应用;又需要脚踏实地，学习研究理解复杂聚变系统的物理真实，通力合作，争取实现激光可控核聚变领域的“弯道超车”。

　　从目前来看，要建成商业核聚变电站，实现真正意义上的聚变能源应用仍需几十年的努力。不仅需要科研工作人员的探索，还需要产业界的支持、公众的投入与认可等，如此，终极能源才能真正走向现实。

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