​核聚变离商业化应用仍需几十年

当地时间12月13日，在经过一天的预热之后，美国能源部 、美国国家核安全管理局 、美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室联合举办新闻发布会，宣布在12月5日的一次实验中，首次实现了聚变能量超过输入能量，聚变反应的能量增益大于1。具体而言，这次反应通过激光器输入了2.05兆焦耳能量，引发聚变反应释放了3.15兆焦耳能量，Q达到1.54。这是人类历史上首次在受控核聚变实验中实现这一成就，对于受控核聚变研究而言是一个重要里程碑，该消息也引发了广泛关注。但这一技术要走向商业化，变成成熟的发电技术，依然还十分遥远。换言之，在可见的未来，它还不会对人类应对气候变化问题带来实际贡献。美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆在当天的发布会上称，这是21世纪最重要的科学成就之一。她还在发布会上强调，这有助于美国在没有核试验的情况下维持核威慑。劳伦斯·利弗莫尔实验室的聚变装置采用的是惯性约束核聚变技术路线，利用高功率激光来驱动核聚变，其装置名为“国家点火装置”，占地三个橄榄球场大小，是全球最大的激光装置。惯性约束核聚变也是当前人类进行受控核聚变研究的两种技术路线之一。另一种主流技术路线是磁约束核聚变，也是参与国家更多、研究更广泛技术路线，一般通过建设环形的托卡马克装置，通过磁场来约束等离子体，实现受控核聚变。聚变由于其发生原理和恒星内部的反应类似，受控核聚变也被称作“人造太阳”，数十年来一直是人类追求的终极能源解决方案。目前主流的技术方案中，一般使用氢的同位素氘、氚作为燃料，发生核融合反应，产生出氦和中子，并释放出能量。当前的核电站以铀为主要燃料，通过核裂变反应来产生能量。相比核裂变，核聚变产生的核废料半衰期短，安全性高，燃料来源充足，并且同样不会产生碳排放。但受控核聚变的技术和工程都还面临许多挑战，技术可行性和经济可行性都还需要漫长的探索过程，因而也常被戏言为“永远要50年”才能实现的技术。中核集团聚变堆技术首席专家、核工业西南物理研究院原院长段旭如对《财经十一人》表示，从聚变研究角度来说，利弗莫尔实验室的成就是一个重大突破，实现能量增益超过1很不容易，磁约束核聚变和惯性约束核聚变研究都在追求这一目标。以后聚变要实现能源利用，增益因子要比1大很多，但第一步重要突破就是要大于1。中核集团下属的核工业西南物理研究院位于成都，目前运行有磁约束核聚变研究装置中国环流器二号A 和中国环流二号M，与位于合肥的中科院合肥研究院等离子体所的东方超环装置，是我国主要的磁约束核聚变研究装置。段旭如介绍，在磁约束核聚变研究领域，此前只有日本的JT-60上实现过等效聚变功率增益因子超过1。所谓等效功率增益因子，是因为核聚变最终用氢的同位素氘 、氚反应，而JT-60实验中采用了氘、氘融合，根据其结果推断如果把部分氘换成氚，发生反应能产生多少聚变功率，所以是等效因子。另外，在欧洲联合环装置上实现了59兆焦耳的聚变能量，其增益因子不到1。而此次美国利弗莫尔实验室点火装置的实验，是人类首次在实验中实现聚变增益因子超过1。如何点火美国国家核安全管理局负责国防项目的副局长Marvin Adams在发布会上介绍了国家点火装置所采用激光核聚变的技术原理：在一个圆柱形腔体内，有一颗直径大约是BB弹一半的球形燃料胶囊，其中是聚变燃料。圆柱体两侧用192束高能量激光打入圆柱体的内壁，内壁反射出的X光再击中球形的燃料胶囊，胶囊内的聚变燃料受到挤压，产生聚变。产生能量所需的时间，比光传播1英寸的时间还短。

激光聚变效果图，激光在腔体内壁反射出X光，然后冲击燃料，引发聚变。来源：LLNL

综合当日新闻发布会及随后技术圆桌上参与实验专家讲述的信息，这次聚变中，大约4%的聚变燃料发生了反应。在这次聚变中，激光能量提供了2.05兆焦耳的能量，释放出了3.15兆焦耳能量，其能量增益达到了1.54。若按电力来比较，每千瓦时电力的能量相当于3.6兆焦耳。换言之，此次核聚变释放出的能量相当于大约0.875度电，大约可以给一个使用4000毫安时电池的手机充电40次。据参与实验的专家回忆，此次聚变实验室在12月5日凌晨1时零3分发生，随后实验人员开始了数据分析工作，也邀请了外部专家团队来进行同行评估，确保数据准确，因此在实验一周后才正式发布信息。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置。来源：LLNL

商业化还要几十年此次聚变实验尽管突破意义重大，但这一大型激光装置本身效率很低，驱动激光装置的系统能耗高达322兆焦耳，转换成2.05兆焦耳的激光器输入能量，然后再激发出3.15兆焦耳的聚变能量。因此，如果考虑整个系统的能量转换效率，还不到1%。因此，它不仅尚不稳定，在工程意义上也还远远无法实现能量的增益，离成为可利用的恒源还十分遥远。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室主任Kimberly Budil在发布会上面回答多久能商业化的问题表示，商业化在科学上和工程上都还面临许多障碍，这次是成功让一颗燃料点火一次，要实现商业化核聚变，需要每分钟实现很多次点火，需要有一个稳固的驱动系统，也许不需要经常说的50年，但也需要几十年来投入研究才能建成一个商业聚变发电站。劳伦里·利弗莫尔国家实验室惯性聚变能源机构主管Tammy Ma在当日的技术圆桌中也回应了驱动系统的能量效率问题，她表示，国家点火装置是一个科学研究装置，它的建设初衷和建一座电站不同，让每个设备效率发挥到极致，并不是设计考虑的优先事项。因此，提高激光供能的设备效率，对于一个科学研究设施来说，并不是最关键的。另外，装置已经有了20年历史，有许多20世纪八、九十年代的技术，其后许多新的模拟、材料、算法等技术也不断发展，更新到了装置之中。曾在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室任过高级顾问的美国Carbon Direct首席科学家Julio Friedmann的一个评论颇为精当，他表示，现在的突破和商用核聚变的差距，就好比点燃了一根火柴到造出内燃机的差距，但这是能源多元化创新必需的一步。中国、欧盟、美国、日本、俄罗斯、韩国、印度七方参与的国际热核聚变实验堆计划采用的是磁约束核聚变技术路线，厂址位于法国。这个项目中，其设计目标是在聚变实验中通过约50兆瓦的加热，实现500兆瓦的聚变功率，增益达到10。段旭如对《财经十一人》介绍，这一增益因子的计算，同样是聚变功率和加热功率的比值。要有商用价值，Q值需要超过30。此外，激光驱动装置效率目前不到1%，而托卡马克装置的加热系统的功率转换效率要显著高于此数。段旭如表示，ITER是一个聚变实验堆，要实现聚变能的应用，还有一些关键的工程挑战和技术难题需要解决。在实验堆之后，开展示范堆的研发，再下一步就是具有经济性的商业堆开发。从现在的技术发展认知来看，预计在2050年前后可以实现商业化。在中国国内，同样也有激光核聚变的研究布局。早在1964年，当时从事保密工作的知名物理学家王淦昌独立提出了利用激光实现核聚变反应的设想，这一想法得到中科院上海光机所高功率激光研究专家邓锡铭的响应，1965年，上海光机所开始开展高功率激光器的研究。其后70年代，来自中国工程物理研究院的中国“氢弹之父”于敏提出激光聚变是复杂的研究系统工程，建议上海光机所与工物院强强联合，后来，两院联合投资建设激光12号实验装置，也就是张爱萍将军题词“神光”的“神光I”装置。如今中国先后建成“神光I”“神光II”“神光III”三套激光实验装置。其中“神光I”服役八年，已经退役。“神光II”位于中科院上海光机所。“神光III”位于中国工程物理研究院，2015年完成建设，是世界上投入运行的第二大激光驱动器，也是亚洲最大的高功率激光装置。

“神光III”与美国国家点火装置参数对比来源：中国工程物理研究院

国家实验室背后的支持劳伦斯·利弗莫尔国家实验室是美国能源部下属的17个国家实验室之一，成立于1952年，正值美苏冷战高峰期，总部位于加州利弗莫尔，是美国核武器研发的重要机构。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室自我介绍说，其旨在开发并应用世界一流的科学技术，确保美国核威慑力量的安全、可靠，同时应对核扩散、恐怖主义、能源短缺和气候变化等威胁国家安全和全球稳定的各种危险。核心能力包括先进材料和制造；高能量密度科学；高性能计算、模拟和数据科学；激光和光学科学技术；核、化学和同位素科学与技术；全源情报分析；核武器设计与工程；生物科学和生物工程；地球和大气科学。2021年，LLNL拥有正式员工8172名，资金来源共28.2亿美元，其中80%源于美国国家核安全局，2/3与国防项目有关，14%来源于美国能源部旗下的战略合作项目。

LLNL2021年经费来源

突破发生后，多位美国政界人士也纷纷表态。美国总统科学顾问、白宫科技政策办公室主任Arati Prabhakar在当地的发布会上表示，这是美国科研事业实力的绝佳案例，也是拜登总统用史上最大规模的联邦科研预算支持的事业。在美国能源部和国家实验室发布的新闻稿中，多位政界人士在其中发言。美国参议院多数党领袖查尔斯·舒默表示，他帮助惯性约束核聚变计划在国防授权法案中获得了今年超过6.24亿美元的最高授权，以实现这一惊人的突破。美国参议员、参议院军事委员会主席杰克·里德称，他赞扬美国能源部和所有为这一有希望突破做出贡献的人，这可能为美国和人类带来更光明的清洁能源未来。美国加州参议员Alex Padilla称，将致力于确保他们拥有继续这项重要工作所需的所有工具和资金。美国众议员Eric Swalwell也表示，将继续推动为国家点火装置提供大量资金，以支持聚变研究进步。美国众议员Zoe Lofgren表示，国会和政府需要充分资助并实施最近的《芯片与科学法案》中的聚变研究条款，在二战期间美国制定了曼哈顿计划以取得及时的成果，当今世界面临的挑战比当时更大，需要倍加努力加快研究，以探索核聚变所承诺的清洁、无限能源的新途径。