年末常有大事發生，前幾日，這一碩果降落在核聚變領域，即使只是不到一秒的突破也足以令學界興奮。當地時間13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）“國家點燃實驗設施”進行了歷史上首次可控核聚變實驗，成功實現“凈能量增益”，核聚變實驗中產生的能量多于用于驅動核聚變的激光能量。
據悉，利弗莫爾實驗消耗300兆焦的激光器發射了192束激光，迅速轟擊到胡椒粒大小、由氘氚制成的燃料上，將其加熱到300萬攝氏度，在高溫、高壓的環境下破開燃料表面，讓氘氚中的氫原子融合，成功實現核聚變。從結果來看，該實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，維持了不到1秒，產生的能量比投入的能量多50%以上。
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年的研究在幾十億的投入后，終于邁出了跨越式的進展，而這一步進展將會對人類能源的未來模式產生怎樣的影響？科學界又是怎樣看待這一成果的呢？
“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。在能源結構改革以前，人們利用的煤、石油、天然氣不僅造成了環境污染，未來也有枯竭的危險，目前已經開拓使用的清潔能源中，風能、水能、太陽能等受限于天氣或地理條件限制，尚且難以滿足需要。當前的核電站采用的是核裂變反應，其需要的鈾、钚等元素儲量有限，還會產生放射性，歷史上已有多例核電站核泄漏問題仍未解決。放射性對自然的影響不可小覷，從今年發現的切爾諾貝利黑色青蛙就可見一斑。
切爾諾貝利核泄漏廢棄城市
核聚變是核能的一種形式，指的是兩個輕原子核結合成一個重原子核并產生能量的過程，其原理來自于太陽——太陽發光發熱依靠也是內部不斷發生核聚變提供動力。目前我們所熟知的原子彈、核電站采用的則是核裂變原理，即一個原子核分裂成兩個輕原子核產生的能量。
與核裂變不同的是，核聚變不會產生高放射性的核廢料，輻射極少，且核聚變燃料豐富且容易獲得，氘可以從海水中提取，氚可以利用豐富的天然鋰生產，因此是目前研究階段最理想的清潔能源。如中國科學院院士、中科院物理所研究員張杰所說：“1立方公里海水所含的氘，經過聚變反應產生的能量，相當于地球上所有石油儲備產生的總能量”。
本次試驗涉及到的激光核聚變是實現人造太陽的兩大路徑之一，另一路徑是磁約束核聚變。磁約束核聚變的具體應用為托卡馬克裝置，通電后托卡馬克內部會產生巨大的螺旋型磁場，將懸浮其中的等離子體加熱到一個較高溫度，最終引發核聚變。可控核聚變被認為是“人類的終極能源”，但經歷70多年的研究，該領域仍處在實驗階段。
中國工程院院士杜祥琬表示，對于這兩種技術路線，學界主流認識認為，托卡馬克裝置的磁約束核聚變實現商用化更有希望，是真正走向聚變能的技術途徑。
如果真的能夠完成“人造太陽”，將會為人類帶來哪些改變？中科院等離子體物理研究所王騰對此解釋到，改變可能主要在以下幾方面：首先，能源危機迎刃而解，能源價格將非常低廉；其次，一些因能耗限制而難以開展的活動，包括海水淡化、星際航天等將可以大規模開展；最后，核聚變的產物為氦和中子，不排放有害氣體，地球上的溫室效應、酸雨、霧霾將大幅減輕乃至消失，生態環境將得到改善。
回到本次試驗，其中實現的“點火”，指的是核聚變產生的能量超過激光束打入的能量，是可控核聚變走入現實必要的指標之一。“只有這種情況下，這一裝置才有望提供能源，而不只是一個耗電器。”中山大學中法核工程與技術學院副教授王志斌向《中國新聞周刊》解釋說，LLNL這次的實驗從科學層面證明了，慣性約束聚變可以實現凈能量增益。
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——知乎一位答主表示，此次公布的凈能量增益，是指聚變產生的中子的能量除以輸入的激光的能量之比，而并非輸出電能到輸入電能之比，其中存在能量增益的夸大，兩者能量增益差125倍之多。如果從電能開始算起，而不是從激光能量開始算起，那么NIF實現的能量增益也就0.008而已，并非大于1。他還強調，NIF作為慣性約束聚變的實驗裝置，很難再把成績提高。
另一位知乎答主認為，按照NIF激光器的實際效率，和熱機將聚變放出的熱，轉換為有用功的效率，不計其他問題，這裝置現在的狀態不可能對外凈輸電，裝置內部充電本身也有損耗，實際能耗更大。所以他認為整個實驗成果存在夸大，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
在清潔能源的終極技術核聚變領域，各國無論從能源還是國防的角度出發，都始終未放棄該領域的探索。以美國來說，據美能源部介紹，本次試驗的主體設施——“國家點燃實驗設施”（NIF）是全球最大、能量最高的激光系統，其使用超強激光束來產生與恒星和巨型行星核心以及核武器內部相當的溫度和壓力。美國國家核安全管理局副局長馬文·亞當斯表示，激光束將大量熱量集中在一個微型球形膠囊上，結果是一個過熱的等離子體環境，其中反應產生的能量比用于產生它的激光中所包含的能量多，約為1.5倍。
國家點燃實驗設施（圖源：Lawrence Livermore National Laboratory YouTube）
這個設施建成于2009年，美國國家核安全管理局在加州的LLNL建成了這個國家點火裝置，在高10層、約有3個足球場大的建筑物中開展相關實驗。值得一提的是，NIF原定目標是在2012年完成“點火”，但這一目標未能如期達成。由此，NIF多年來備受爭議，業內一度認為它可能永遠無法成功“點火”。
此前美國國家點火設施進行的多次核聚變試驗中，取得的最好成績是產出與投入能量比70%。根據實驗分析，從樂觀的角度來看，本次LLNL核聚變反應釋放了大約3.15MJ的能量，比進入反應的能量多大約54%，是之前1.3MJ記錄的兩倍多。盡管如此，NIF在試驗過程中消耗了322MJ的能量，是本次核聚變反應釋放能量的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，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目啟動協定。在今年11月，中國負責的其中一個關鍵組成部分，增強熱負荷第一壁首件制造完工。
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月我國合肥東方超環實現了1056秒長脈沖高參數等離子體運行，是之前保持記錄的2倍還多；今年10月，中國新一代“人造太陽”HL-2M等離子體電流突破100萬安培，創造了中國可控核聚變裝置運行新紀錄，標志著中國核聚變研發距離聚變點火邁進了重要一步。
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的核聚變增益屬于聚變物理范疇，不太可能為人類能源問題提供解決思路。人們真正用于能源的核聚變，是一種非爆炸性的可控的核聚變。
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。這就不得不提到美國國家點火裝置的建設背景，該裝置由美國能源部下屬管理核武器的國家核安全局負責運行，其主要任務是實現能產生高能量的聚變反應，并為美國核武器儲備的維護提供指導。
武漢大學水利水電學院副教授徐明毅也曾在今年8月發表的一篇論文中提到，出于國防和戰略安全考慮，美國、中國、歐盟、英、日等國家和地區都在開展相關研究，這其中包括美國的NIF、中國在運行的最大激光聚變驅動器神光III等。
但無論是哪條技術路線，核聚變商業化廣泛應用，將”人造太陽“變成現實都預計仍需要很長時間。LLNL主任基姆·布迪勒也不得不承認，實現核聚變商業化可能需要數十年，核聚變技術還需克服諸多障礙，包括實現每分鐘完成多次聚變點火，并擁有穩健的驅動程序系統等。在發布會當天，布迪勒也明確表示：“我們的計算表明，激光系統有可能實現數百兆焦耳的產量，實現產量的目標是有途徑的，但我們現在離實現那個目標還很遠。”
寫在最后
盡管眾說紛紜，但本次“點火”終究是國際核聚變研究的一大進步。但與其考慮維持僅不到1秒的技術何時實現商業突破為時尚早，在技術上如何降低成本創造高密度高溫條件，讓反應維持足夠長的時間是最顯而易見的難關。“人造太陽”離應用還有多遠，仍是未知數，或許還需借用那句廣為流傳的調侃：“核聚變發電僅需20年，而且永遠如此”。科學家們頂著這句調侃奮戰多年，也是因為堅信探索清潔能源為人類帶來的福祉吸引他們不能止步，太陽能、風能、水能等尚且如此，核聚變領域更是任重道遠。
參考資料：
1.《世界首次激光核聚變點火成功，“人造太陽”指日可待？》，中國新聞周刊
2.《鳳凰獨家 | 院士杜祥琬：可控核聚變美國成了嗎？》，鳳凰網科技
3.《有太陽，為什么還要人造“太陽”？》，新華網
4.《美媒歡呼：美國核聚變實現歷史性突破， 中方回了一句話震動全球》，野叟奇言
