文丨潘俊田
編輯丨程曼祺
當地時間 12 月 13 日， 美國能源部和美國核安全局宣布，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）于 12 月 5 日首次實現了可控核聚變的能量增益，即輸出能量與輸入能量之比（Q 值）大于 1。
這是近年來可控核聚變的進展最出圈的一次，影響力超越科學界。人們興奮、激動，是因為可控核聚變最為人熟知的應用方向是取之不竭的清潔能源，它意味著不再為過冬暖氣不足或生產限電擔憂，不再為核裂變發電的輻射泄露惶恐，意味著圍繞能源的紛爭會減少或變換形式，甚至意味著化學能源無法滿足的長時間星際旅行有了可能。
在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的官網報道中，美國能源部官員、多位政府人士也將這一進展與清潔能源聯系。美國能源部評價這一進展 “將幫助解決人類最復雜和最緊迫的問題，如提供清潔能源以應對氣候變化，以及在不進行核試驗的情況下保持核威懾”。
但與清潔能源的關系，正是此次進展容易引起誤解之處。
首先在程度上，此次實驗中，Q 值大于 1 的內涵和一般發電場景下的 “輸出大于輸入” 還有很大差別。
更重要的是在方向上，此次取得進展的技術路線，最主要的應用方向并非清潔能源，而是美國能源部提到的另一關鍵詞，“清潔核威懾”。
引發核聚變的激光能是 2.05 兆焦耳
但啟動激光器消耗了 322 兆焦耳能量
12 月 5 日發生在 NIF 的具體過程是：192 臺高能激光器先將激光打入一個直徑 10 米的球形靶室，再照射到靶室中心一個約兩克拉鉆石大小的圓柱體黑腔內，最后照射到黑腔內直徑 2 毫米的靶丸上，靶丸里是核聚變燃料氘和氚。整個過程中，激光打到黑腔上的能量是 2.05 兆焦耳（MJ），產生了 3.15 兆焦耳的聚變能，以此計算，Q 值達到了 1.53。
NIF 的工作示意圖：激光照射到黑腔再照射到靶丸，瞬間引發核聚變反應，整個過程只有 20 個十億分之一秒。
但為了啟動這 192 臺高能激光器，整個 NIF 需要消耗百倍于 2.05 兆焦耳的能量。據《自然》雜志官網報道，這次實驗共消耗了 322 兆焦耳，即 92 千瓦時的電能。
這相當于給一輛 100 度（即 100 千瓦時）的特斯拉 Model S Plaid 充滿電，但最終釋放的能量，僅能供這臺車跑出約 6 公里，只有標定續航的百分之一。這還沒有考慮到，核聚變釋放的聚變能要轉化為能驅動汽車的電能，還得經歷一次能量損耗。
其實早在 2013 年 9 月，NIF 就曾取得一次相似的重要進展，當時他們也實現了一定程度上的能量增益。在那次實驗中，黑腔中心的靶丸吸收了 11 千焦能量，釋放了 14.4 千焦聚變能。
在剛剛發生的進展中，NIF 完成了一個更難的突破。計算輸入能量時，看的不再是靶丸吸收的能量，而是激光照射到黑腔上的能量，這些能量中最終只有 10%-20% 會被靶丸吸收。
NIF 對黑腔內能量轉化過程的介紹。Laser Energy Into the Hohlraum 是激光照射到黑腔上的能量，是此次最新進展中的輸入能量，Capsule compression 是最終靶丸吸收的能量。
這說明近 10 年來，NIF 用激光產生聚變能的效率提高了約 6-12 倍，取得了重大進展。
另一方面也顯示，是否取得能量增益，有一定定義空間。按照 Q 值是聚變過程釋放的能量與聚變燃料吸收的能量之比的定義，NIF 可以說在 2013 年已實現了某種程度上的能量增益，只是他們當時沒有大張旗鼓地宣傳。
當然，無論是 2013 年的進展，還是剛剛發生的進展，都離清潔能源相當遙遠。對清潔能源的實際應用最有意義的輸出 / 輸入能量比，是整個過程輸出的電能與輸入的總能量的比值，即在電能到電能的轉化過程中實現增益，而不是目前計算的 Q 值。人類離實現這一步突破仍有重重工程、技術挑戰。
慣性約束核聚變更主要的應用方向是軍事
而非能源
核聚變的原理在 100 多年前就被提出，即兩個輕原子碰撞后合成一個重原子，這一過程會釋放出巨大能量。目前主流的聚變過程是讓氫的同位素氘和氚，在高溫高壓狀態下克服原子核間的互斥，形成更重的氦原子和中子。
1952 年，人類實現了不受控的核聚變，即氫彈， 其爆炸威力是原子彈的 450 倍。當時的氫彈需要用原子彈引爆。
要實現可控的核聚變，難點是在引發核聚變所需的極端高溫高壓環境下，原子會變成等離子體，等離子體極難被控制，因為原先運動很慢的原子會快速地四散逃逸。
根據控制等離子體的不同方法，可控核聚變發展出了兩種主流路線，一是慣性約束核聚變，二是磁約束核聚變。
等離子體從相對慢的運動狀態到快速運動狀態需要時間，慣性約束的思路就是在這個極小的時間窗口內向聚變燃料注入大量能量，使之依靠慣性相互撞擊產生核聚變。
NIF 的進展屬于慣性約束核聚變路線。它更適合軍事用途，而非清潔能源。
激光和等離子體專家、西安交通大學教授趙永濤告訴《晚點 LatePost》用原子彈引爆氫彈，其實就是一種慣性約束核聚變，但它的威力過大、不可控，一次爆炸能會釋放幾十、上百 PJ 的能量（1 PJ 等于 10 的 12 次方焦耳），且會產生輻射污染。
1960 年代初期，前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫和中國的王淦昌院士分別獨立提出了用激光實現慣性約束核聚變的理論。
同期，美國科學家約翰·霍普金·納科爾斯（John Hopkin Nuckolls ）主持建設了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的激光裝置（ NIF 前身）。
如今 NIF 的點火過程，實際是一個由激光器引爆超小型氫彈的過程。它可以在幾乎沒有輻射污染的情況下，研究、記錄氫彈數據。1992 年，蘇聯解體后的第二年，走出冷戰威脅的美國停止了地下核試驗，這符合當時美國的國內國際輿論，也符合多國簽訂已久的《不擴散核武器條約》。
這也是為什么美國政府評價此次進展時，除了提到清潔能源，還提到它可以幫美國保持 “清潔核威懾”。NIF 的官方介紹中，其重要目的之一也是 “保持核威懾”，NIF 同時是美國” 核武器儲備管理計劃” 的核心部分。
中國工程院院士杜祥琬接受鳳凰科技采訪時稱，美國國家點火裝置的實驗目的，不是給人類提供能源解決思路，而是核武器研究。
除可控核聚變外，高能激光本身還有更多重要應用。
高能物理學專家、中山大學教授黃永盛對《晚點 LatePost》總結：高能激光可用作激光武器，比如裝載在衛星上，干擾乃至摧毀敵方衛星。它還可以模擬極端宇宙環境，如物質密度極大的中子星和黑洞邊緣，這能幫科學家探索一些物理現象。
2004 年以來，高能激光的一個新應用熱點是縮小超大型粒子對撞機，以更低成本探索粒子結構。目前全球最大的粒子對撞機是歐洲大型強子對撞機（LHC），它是一個直徑約 9 公里的圓形管道，圍起來的面積超 1000 公頃，可以放 450 個鳥巢。建設 LHC 花費了約 47.5 億美元、14 年。黃永盛介紹，如果用高能激光，可將強子對撞機從公里級縮小至米級，大幅減少建設、運營的成本和時間。高功率激光和傳統加速器結合還可以產生高亮度光源，可被用來觀察材料的內部結構、缺陷和裂痕，還可用于器官細胞級成像。
當代物理學發展的瓶頸之一就是大型實驗裝置所需的經費太多、實驗時間太長。圍繞中國是否要投資 400 億元建設強子對撞機，科學界曾有激烈爭論。高能激光可能是解決這些紛爭的技術手段之一。
LHC 是一個超級大環，圍起來的面積超過 1000 公頃。
在中國，王淦昌院士獨立提出激光核聚變理論后，找到中國科學院上海光學精密機械研究所（上海光機所）鄧錫銘院士，開始研發用于核聚變實驗的激光裝置。后在范滇元院士的主持下，上海光機所激光裝置自 20 世紀 80 年代開始逐步發展成神光系列激光核聚變裝置，其激光效率位居世界前列，暫未實現可控核聚變的能量增益。
更有潛力實現清潔能源的是磁約束核聚變
新進展給整個可控核聚變帶來信心與關注
慣性約束核聚變之外，更有潛力應用于清潔能源的是另一可控核聚變主要路線，磁約束核聚變。
磁約束理論，是用磁場控制等離子體。這一思路下，誕生了仿星器、Z 箍縮、磁鏡等許多裝置，目前最主流的裝置是 1954 年由前蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所提出的托卡馬克。它依靠電流和環形線圈產生強磁場，將原子約束在形如 “甜甜圈” 的容器中。
歐洲聯合杯（JET）托卡馬克裝置 圖源：EUROfusion
磁約束之所以更適于發電，主要因為磁約束核聚變是一個持續的過程，且托卡馬克裝置要比激光點火裝置更好維護。
慣性約束核聚變，每發射一次激光，瞬間產生能量。中國科學院上海光機所研究員、高功率激光物理國家實驗室主任朱健強在接受采訪時稱，如果想用慣性約束核聚變建電站，至少需要一秒鐘打 10 次激光，且每次輸出的能量增益要達到現在的百倍以上。現在 NIF 只能一天打幾次激光，遠不夠發電。
激光裝置也較維持。在最終打靶前，需要用上千片鏡子反射激光以增強能量。現有技術條件下，大能量激光可能擊碎反光鏡，整個系統重復穩定運行的難度非常高。
而磁約束核聚變中，當 Q 值越過一個上限后，就可長時間運轉，這是因為當托卡馬克中有足夠多的核聚變反應發生后，就會產生大量熱量加熱那些尚未進行反應的物質，進而實現持續反應。它更匹配需要持續輸出的發電場景。
磁約束核聚變的整體能量轉化效率也更高。這一方法下，核聚變燃料直接吸收的能量是加熱功率，從電能到加熱功率的損耗在 40%-50%；而慣性約束核聚變方法中，電能現在轉化成激光能時會損耗 99%。
要以磁約束核聚變技術實現發電，關鍵要看兩個維度的進展：一是運行時間，二是 Q 值，兩個因素互相增益。
增加運行時間的難度是，加熱后的等離子體并不總是按照設想的那樣運動，總有許多等離子體會在反應過程中失去熱量，現有的裝置很難維持超過 100 秒的運行時間。
增大 Q 值的難度是，想要增加 Q 值，需要更強的磁場或者更大的裝置。裝置的造價和裝置的體積正相關，建設更大裝置需要克服更多工程問題，且成本高、周期長。
在磁約束核聚變路線中，對 Q 值中能量輸入值的定義一般是核聚變燃料獲得的加熱功率，能量輸出是核聚變燃料產生的聚變功率。
日本的托卡馬克裝置 JT-60U 曾于 1997 年宣布實現了 Q 值大于 1 ，但這是根據公式推演出的結果，且后來沒有再復現。
目前托卡馬克裝置的最高 Q 值記錄是 0.67，由歐洲聯合環（JET）于 1997 年實現。這意味著輸入 1 焦耳的能量，只有大約三分之二的能量被輸出。
持續運轉時間的紀錄則由中國的托卡馬克裝置 “東方超環”（EAST）保持。2021 年時它持續運轉了 101 秒。
目前正在建設的最大托卡馬克裝置是國際熱核聚變實驗堆（ITER），它計劃最早于 2035 年投入運營，預計 Q 值能達到 10，維持時間能達到 500 秒。
磁約束路線下的新趨勢是，科學家正嘗試以新的高溫超導材料實現更強的磁場，這可以縮小托卡馬克的尺寸，減少建設成本和周期。這也掀起了一股創投潮。自去年起，大量社會資本投入核聚變，一批新老公司獲得融資，支持者包括比爾·蓋茨、貝索斯、索羅斯等。
這一次 NIF 取得的新進展中，人類首次實現 Q 值大于 1 是最吸引關注、使人激動的部分。
不過如果把慣性約束核聚變用于清潔核威懾和核武器上，Q 值是否大于 1 不是那么重要，更重要的是能否以更小成本實現更大破壞，然后是整個過程的穩定和可重復。
只有在能源和發電場景下，算 Q 值的賬才有意義，它指示能否產生能量增益。在更有潛力實現清潔能源的磁約束核聚變方向上，人類還沒有越過 Q 值大于 1 的臨界點。
即使如此，NIF 取得的進展以及由此引起的巨大關注仍有大價值。它給核聚變研究注入了一針強心劑。
激光和等離子體專家、西安交通大學教授趙永濤告訴《晚點 LatePost》，NIF 的新進展驗證了可控慣性約束核聚變的科學可行性，是巨大進步。未來如要把激光驅動核聚變作為能源，有兩個主要突破路徑，一是通過新的束靶設計等繼續提高核聚變增益，將現在 1.5 倍的增益提高到幾十、上百倍，激光核聚變就有工程應用前景；二是提高激光驅動源的能量轉化效率，目前電能到激光能的轉化效率只有約 1% ，將來可以使用其他更高效率的激光源，如高功率重離子加速器等。他提到，把慣性約束核聚變用于能源，從科學上可行到工程上可行間仍有很大鴻溝。
有人評價 NIF 此次大張旗鼓地宣傳是 “賺經費” 之舉。經費本身是艱難的重大科學研究不可缺少的燃料。相伴而來的關注和眼球，則是一次更深遠的科普活動，未來的科學家可能就在被吸引的人群中。
沒有持續的資源投入，沒有一代代優秀人才的期望和努力，科學技術不會自己進步，甚至會倒退。人類 50 年前可以登上月球，現在要重返卻困難重重，很多技術、工程問題得再解決一遍。
科學界一直有一個玩笑：人類實現可控核聚變 “永遠還有 50 年”。50 年的距離可能未被縮短，但一些人的努力，讓我們離去掉 “永遠還有” 更近了一點。
題圖：NIF 靶室內部，來源：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。
