北京時(shí)間12月14日，美國能源部宣布，其下屬的勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室在最近的一次聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了輸出能量超越輸入能量的目標(biāo)，達(dá)到了凈能量收益——也就是超過了所謂的“聚變閾值”。這是一個(gè)里程碑式的成就，標(biāo)志著人類已經(jīng)無限接近于可控核聚變的清潔能源時(shí)代。
據(jù)美國能源部 (DOE) 和國家核安全局 (NNSA)宣布，12月5日，在勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國家點(diǎn)火裝置 (NIF)進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)使用192道強(qiáng)大的激光束擊中一個(gè)只有一顆胡椒大小的氫同位素固體目標(biāo)，結(jié)果產(chǎn)生了3.15兆焦耳的能量，這比用來觸發(fā)反應(yīng)輸入能量（2.05兆焦耳）多了近50%。該實(shí)驗(yàn)首次完成了受控聚變實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要里程碑，即可控核聚變產(chǎn)生的能量多于驅(qū)動(dòng)裝置所用的激光能量。其發(fā)言人宣稱：這一歷史性成就將提供對(duì)清潔聚變能源前景的寶貴見解，將改變游戲規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)美國的核聚變研究目標(biāo)——零碳經(jīng)濟(jì)。
艱難的可控核聚變反應(yīng)
眾所周知，聚變能是最具潛力、最穩(wěn)定的清潔能源，也是太陽能量的主要來源。 核聚變反應(yīng)是兩個(gè)較輕核子結(jié)合產(chǎn)生較重核子的能量反應(yīng)。核子合并時(shí)，會(huì)喪失部分質(zhì)量，根基質(zhì)能方程，這部分質(zhì)量將轉(zhuǎn)化為能量釋放出來。自上個(gè)世紀(jì)科學(xué)家提出核聚變理論以來，以可控?zé)岷司圩優(yōu)槟繕?biāo)的物理研究和技術(shù)發(fā)展在國際上已經(jīng)進(jìn)行了半個(gè)多世紀(jì)。
聚變能是人類社會(huì)的未來，這一點(diǎn)在學(xué)界幾乎沒有爭議。Carbon Direct首席科學(xué)家、勞倫斯利弗莫爾前首席能源技術(shù)專家Julio Friedmann表示，“與煤不同，產(chǎn)生聚變能只需要少量的氫。而氫是宇宙中最豐富的東西。它就存在于水中，因此產(chǎn)生這種能量的物質(zhì)近乎無限的，且完全干凈。” 一杯水中的氘再加上一點(diǎn)氚，就可以滿足一個(gè)家庭一年的能量需求，這個(gè)誘惑實(shí)在太大了。
然而，要進(jìn)行核聚變反應(yīng)卻十分困難。勞森判據(jù)（Lawson criterion）指出了維持核聚變反應(yīng)堆中能量平衡的條件：（1）足夠高的溫度（離子溫度）；（2）一定的密度（離子密度）；（3）一定的能量約束時(shí)間。這三者的乘積被稱為聚變?nèi)朔e。根據(jù)勞遜判據(jù)，只有聚變?nèi)朔e大于一定值（5×1021m?3·s· keV ），才能產(chǎn)生有效的聚變功率輸出。
首先是高溫。由于原子核帶正電，必須在極高溫下才能獲得足夠的能量，以克服彼此間的庫侖勢(shì)壘，使得原子核足夠靠近，這時(shí)它們通過量子隧穿效應(yīng)產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的幾率才會(huì)更大。值得注意的是，盡管太陽核心溫度已經(jīng)高達(dá)1500萬攝氏度，但仍遠(yuǎn)未達(dá)到核聚變反應(yīng)的要求。根據(jù)量子隧穿效應(yīng)，太陽內(nèi)部發(fā)生聚變的幾率只有10^28分之一。
即便是太陽核心的反應(yīng)條件，也仍不足以令質(zhì)子克服其因自身電荷而產(chǎn)生的斥力。所幸，由于有量子隧穿效應(yīng)的存在，這些質(zhì)子仍有一定概率形成更加穩(wěn)定的結(jié)合狀態(tài)，從而完成核聚變。太陽內(nèi)部發(fā)生量子隧穿的概率在10^28分之一。
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太陽依賴其巨無霸的質(zhì)量規(guī)模，即便核聚變發(fā)生的概率如此之低，仍能釋放可觀的能量。但要在地球上實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)，就勢(shì)必要求反應(yīng)更加高效。因此，反應(yīng)裝置的溫度大約需要維持在一億攝氏度以上，才能獲得較高的反應(yīng)幾率，而這個(gè)溫度已經(jīng)是太陽核心溫度的近十倍。
其次是密度，用以衡量等離子體約束區(qū)單位體積內(nèi)粒子的個(gè)數(shù)。這個(gè)也不難理解，因?yàn)楸３肿銐虻拿芏龋馕吨鴨挝惑w積內(nèi)會(huì)擁有更多的氘、氚原子核，能夠有效提高原子核間的碰撞效率，以獲得足夠的核聚變反應(yīng)率。
最后是能量約束時(shí)間，高溫等離子體的能量以輻射和熱傳導(dǎo)的形式逸出。等離子體總能量熱傳導(dǎo)損失所需時(shí)間被定義為能量約束時(shí)間，這也是聚變裝置重要指標(biāo)。高能量約束時(shí)間意味著裝置具有良好的隔熱性能，能量流失得緩慢，這也會(huì)以進(jìn)一步提高核聚變反應(yīng)率。
可控核聚變的實(shí)現(xiàn)方案
難度還不僅僅在于條件的苛刻。即便達(dá)到了聚變反應(yīng)的條件，人們也還要對(duì)高溫聚變物質(zhì)進(jìn)行約束，以便實(shí)現(xiàn)反應(yīng)穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行，即延長可控聚變反應(yīng)時(shí)間，獲得持續(xù)的核聚變能。目前實(shí)現(xiàn)可控聚變約束主要有兩大方案：
1、磁約束聚變(Magnetic Confinement Fusion，MCF)。磁約束利用磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)原子核產(chǎn)生的洛倫茲力產(chǎn)生約束。聚變?nèi)剂显跇O高溫下會(huì)完全電離為由原子核和自由電子組成的等離子體，倘若讓這團(tuán)等離子體置身于強(qiáng)磁場的空間，那么帶電的原子核與電子在垂直于磁場方向不再自由只能沿著磁場方向做回旋運(yùn)動(dòng)，從而受到約束。
MCF主要以托克馬克(Tokamak)裝置為主，國際上具有代表性的托克馬克裝置有美國DIIID、歐洲的JET、日本JT-60、俄羅斯T-15等。目前，世界上多個(gè)國家正在合作建設(shè)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)，中國也是該項(xiàng)目的主要參加國之一。
2、慣性約束聚變(Inertial Confinement Fusion，ICF)。慣性約束以多束極高精度的激光從四面八方向一個(gè)非常微小的聚變?nèi)剂贤鑳A注巨大的能量，引發(fā)內(nèi)爆產(chǎn)生瞬間的高溫和高壓，巨大的壓力使聚變?nèi)剂系拿芏仍诙虝r(shí)間達(dá)到極限值，從而引發(fā)核聚變反應(yīng)。相對(duì)于MCF，ICF具有驅(qū)動(dòng)部分與聚變反應(yīng)堆部分在空間上分離、互不干擾的優(yōu)點(diǎn)。它利用內(nèi)爆產(chǎn)生的向心運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的慣性來約束高溫?zé)岷巳剂系入x子體。LLNL的聚變實(shí)驗(yàn)就是依賴這種技術(shù)方案。
1960年激光問世以后，美國和前蘇聯(lián)就開始進(jìn)行激光聚變研究。然而當(dāng)時(shí)的技術(shù)和工藝水平遠(yuǎn)不能達(dá)到驅(qū)動(dòng)聚變反應(yīng)所需的激光功率和能量。1972年，LLNL系統(tǒng)研究了利用激光器直接驅(qū)動(dòng)DT(氘氚)微球內(nèi)爆實(shí)現(xiàn)高壓縮熱核聚變的技術(shù)途徑。此后，ICF研究進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。在這些研究的基礎(chǔ)上，美國國家點(diǎn)火裝置(National Ignition Facility，NIF)于2009年建成，并于2010年開始進(jìn)行點(diǎn)火物理實(shí)驗(yàn)。十多年來，NIF的許多研究都產(chǎn)生了較大影響。各國也隨之計(jì)劃興建設(shè)巨型激光設(shè)施。
如何評(píng)價(jià)NIF本次取得的成就？
美國能源部長Jennifer M. Granholm聲稱：“這是一項(xiàng)具有里程碑意義的成就，他們的職業(yè)生涯致力于讓聚變點(diǎn)火成為現(xiàn)實(shí)。” 在可控核聚變中，所謂點(diǎn)火，是指聚變反應(yīng)可以持續(xù)，此時(shí)的輸出能量遠(yuǎn)大于輸入能量。因此，從這個(gè)意義上來說，稱該實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火成功仍稍有不妥，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)也只是剛剛超過了能量收支平衡點(diǎn)一部分而已。當(dāng)然，這仍然是可控核聚變技術(shù)一個(gè)非常重要的里程碑。
但實(shí)驗(yàn)成果距離人們?cè)谏钪惺褂蒙锨鍧嵉木圩兡埽吘?/span>道阻且長。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室主任Kim Budil表示，如果想將這一成果商業(yè)化，核聚變技術(shù)仍有“重大障礙”需要克服，可能還需要幾十年的努力和投資。倫敦帝國理工學(xué)院慣性聚變研究中心主任Jeremy Chittenden表示：“目前，人們所做的每項(xiàng)核聚變實(shí)驗(yàn)都意味著大量的時(shí)間和金錢，我們需要大幅降低成本。”
除此之外，如何收集能量并將其作為電能輸送到電網(wǎng)，也是有待攻克的難題。據(jù)研究人員估計(jì)，核聚變能夠產(chǎn)生無限量的清潔能源，還需要數(shù)年甚至數(shù)十年的時(shí)間。而氣候變化帶來的環(huán)境影響讓時(shí)間顯得異常緊迫。Friedmann說：“在未來二、三十年內(nèi)，聚變能很難對(duì)減緩氣候變化做出有意義的貢獻(xiàn)。如果將聚變能的大規(guī)模應(yīng)用比作內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明，那么目前的成就才相當(dāng)于是點(diǎn)燃了第一根火炬。”
我國的可控核聚變發(fā)展
就磁約束核聚變方案而言，中國的技術(shù)路線是明確的，即全超導(dǎo)托克馬克。為了開展我國磁約束聚變堆總體設(shè)計(jì)研究，中國聚變工程試堆CFETR (China FusionEngineering Test Reactor) 項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，它是聚變堆發(fā)電從實(shí)驗(yàn)堆過渡到原型電站不可或缺的工程堆。2014年底，CFETR完成了工程概念設(shè)計(jì)。2017年中“中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆集成工程設(shè)計(jì)研究” 項(xiàng)目獲批。CFETR目前已經(jīng)完成了總體設(shè)計(jì)并開始了工程設(shè)計(jì)，計(jì)劃于2030年建成。
中國聚變工程堆CFETR建筑群效果圖
ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）是目前正在建設(shè)的世界上最大的實(shí)驗(yàn)性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆。該組織成立于2007年，由七個(gè)成員實(shí)體資助和運(yùn)行包括中國、歐盟、印度、日本、中國、俄羅斯、韓國、美國。該項(xiàng)目預(yù)期將持續(xù)30年，其中10年用于建設(shè)，20年用于運(yùn)行，耗資超過百億美元。ITER是各國建實(shí)用聚變堆前最重要的共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的堆工程技術(shù)和堆物理技術(shù)的集成發(fā)展研究，將為建造未來具有實(shí)用意義的聚變堆奠定基礎(chǔ)。
而就慣性約束核聚變方案而言，我國也有相應(yīng)技術(shù)布局。在神光-II(1986 年)與神光-III原型裝置(2006年)的研究和開發(fā)基礎(chǔ)上，中物院激光聚變研究中心會(huì)同國內(nèi)200多家單位協(xié)作，設(shè)計(jì)并搭建神光-III主機(jī)激光裝置(SG-III)。在目前已建成用于ICF研究的激光裝置中，神光-III主機(jī)激光裝置的總體規(guī)模和性能位列亞洲之一、世界之二，僅次于美國NIF裝置，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。
毫無疑問，目前中國是世界各主要聚變研發(fā)國家中支持力度最大的國家之一 。隨著ITER項(xiàng)目的建成和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以及我國聚變技術(shù)的發(fā)展， 聚變能在我國的應(yīng)用前景仍然非常值得期待。
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