在科技日新月異，創(chuàng)新和顛覆節(jié)奏越來越快的今天，你或許很難想象：一項技術(shù)的突破，居然要花費超過半個世紀的時間……而在今天，美國政府就宣布了這樣一項，用了整整七十年才實現(xiàn)的重大的技術(shù)突破。上周一12月5日，美國科學家完成了歷史上首次達到科學能量平衡的可控核聚變實驗。

在這次實驗中，團隊使用高能激光射向一個燃料倉，點燃其中高壓保存的燃料球。激光能量高達2.05兆焦，而核聚變產(chǎn)生了大約3.15兆焦的能量。

(資料圖片)

這意味著人類在可控核聚變實驗中，首次首次超出了聚變閾值，實現(xiàn)了大于1的能量增益（也即從聚變中產(chǎn)生的能量，比用于驅(qū)動它的激光能量更多）。

更重要的是，這次實驗首次證明了慣性約束聚變作為核聚變兩大主流方案（另一個是磁約束，也即所謂的托克馬克裝置）之一的最根本科學基礎(chǔ)。

所以，你可以將這次實驗的成功，理解為慣性約束核聚變的“從0到1”。從此之后，更多來自公立和私營部門的資金、研究力量，可以更加大膽地進入慣性約束聚變方面的科研和投資，謀求加速攻克更多的科研難關(guān)，在短短的二十，甚至十年內(nèi)，實現(xiàn)慣性約束聚變的可規(guī)模化。

美國能源部長 Jennifer Granholm 指出，這次實驗的成功，是在核聚變研究，在核技術(shù)，在能源史上都極為重要的里程碑事件。

本次實驗所在的勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室主任Kim Budil 博士則表示，“在實驗室中實現(xiàn)聚變點火，是人類有史以來應對的最重要科學挑戰(zhàn)之一。這次能夠?qū)崿F(xiàn)它，是我們在科學，在工程上的一次全人類的勝利。”

而對于本次實驗的成功，Budil 博士對高能激光所扮演的地位給予了幽默的評價：

“就像大家知道的那樣，我們的實驗室簡稱 LLNL，其實是‘Lasers, Lasers, Nothing but Lasers’ 的意思……”

白宮首席科學顧問 Arati Prabhakar 博士，更是感慨萬千：“在我19歲的時候，我就在這個實驗室實習過，當時他們給了我一根‘激光筆’玩，那個夏天我過得非常充實。后來我離開了這里，去做了其它更不值得一提的工作。但我的同事們，以及他們的后輩和后輩的后輩，卻從未停止嘗試……他們獲得過驕人的成績，也歷經(jīng)了無數(shù)令人難以置信的挑戰(zhàn)和痛苦——今天的我們都已經(jīng)白了頭發(fā)，但他們從未放棄這一目標，直到上周……我相信這是一個關(guān)于‘堅持’的最佳例證。”

接下來，讓我們來深入淺出地了解一下，這次意義無比重大的可控核聚變實驗，這場長達60年的追逐，到底是怎么一回事。

發(fā)生了什么？

在上周一12月5日，在位于硅谷利弗莫爾 (Livermore, CA) 的美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 內(nèi)部的國家點火裝置(NIF)，進行了一次通過激光觸發(fā)的慣性約束核聚變 (ICF) 點火實驗。

為了實現(xiàn)聚變點火，科學家使用了總計192束高能激光，射向裝有氘﹣氚（讀作dāo-chuān）燃料球的環(huán)空器。

環(huán)空器 (hohlhraum) 是一種圓筒形器皿，頭尾兩端開孔，內(nèi)壁涂有黃金等特殊涂層。在下圖中，美國核安全局副局長 Marvin Adams 展示了實驗所用的環(huán)空器（同款）。

注意，環(huán)空器其實并非他手中的“玻璃杯”，而是在里面裝著的另一個小筒，大概只有手指指節(jié)的大小，如他的左手所示：

在 NIF 的實驗中，科學家將燃料球裝在環(huán)空器內(nèi)并進行加壓，然后通過環(huán)空器兩端的孔洞射入激光，照射環(huán)空器的內(nèi)壁。

特殊涂層被加熱到大約300萬℃的高溫，發(fā)出強烈的 X 光束，進而照射在燃料球上。

燃料球的外層被X光照射，產(chǎn)生爆裂。其反作用力會以震波的形式繼續(xù)向內(nèi)部傳播，使得內(nèi)部的氘﹣氚元素形成高壓高溫，產(chǎn)生自發(fā)性的燃燒，導致內(nèi)爆（能量和物質(zhì)快速對稱地向內(nèi)聚合），并連鎖觸發(fā)聚變反應。

至于為什么用激光照射內(nèi)壁，而非直接轟擊燃料球：前者產(chǎn)生的X光可以更加均勻地覆蓋到燃料球的表面，使得表層的的爆裂更加均勻，從而時間更加一致，使得聚變反應的效率更高。效率越高，離正能量增益（大于1的能量增益）就越近。

——以上的過程，就是高能量慣性約束聚變的基本過程。它的用時極短，只有大約幾十甚至上百萬分之一秒。它的尺度也很小，畢竟燃料球只有“一枚花椒粒”那么大。

但是，也正是在這個極短的過程中，這個環(huán)空器內(nèi)，其實模擬了一顆微小的恒星。

為什么重要？

這樣的實驗，在 NIF 并非第一次進行。事實上，該實驗室在過去已經(jīng)進行過“無數(shù)次”可控聚變實驗了。

然而本次實驗的重要性在于：

就是聚變產(chǎn)生的能量，比觸發(fā)聚變所消耗的科學能量更高。也就是說，用這種做法來產(chǎn)生能源，值了！

具體來說，實驗總計使用了大約300兆焦的電能，聚焦到高能激光束的輸出達到了2.05兆焦，而通過科學的觀測手段取得的實驗結(jié)果顯示，瞬時聚變產(chǎn)生的能量達到了3.15兆焦。

產(chǎn)生的能量，除以激光輸出的能量，結(jié)果大于一，這種情況在科學上稱為“科學能源盈虧平衡” (scientific energy breakeven)。

而在過去，無論是 NIF/LLNL，還是歐洲的公立研究機構(gòu)，以及全世界各國各種各樣的私營研究機構(gòu)，進行的所有可控聚變實驗，都從未實現(xiàn)過盈虧平衡——說白了，就是“為了發(fā)電，反而用了更多的電”。

美國知名科普作者、天體物理學家 Neil deGrasse Tyson 表示：

“你獲得的能量比你投入的能量更多——我們終于來到了這一天。”

正如前面提到，核聚變是讓氘﹣氚在高溫高壓環(huán)境下出現(xiàn)聚合反應，過程中釋放出氦，而副產(chǎn)品則是以中子形態(tài)存在的天量能量。太陽就是一個氫核聚變的恒星。人類對這一產(chǎn)生能量方式的研究已經(jīng)持續(xù)百年，更是通過核彈的引爆，早已掌握了具體融合原子使其聚變的技術(shù)。

然而問題是，人類在很長時間里一直無法控制聚變的反應。

核聚變研究從上世紀50年代就已經(jīng)開始，但進展一直非常緩慢（以至于過去隨便一點小成績都值得大書特書）。在過去，最大的挑戰(zhàn)是高溫問題難以解決。

具體來說，科學家需要在實驗室環(huán)境內(nèi)創(chuàng)造出像太陽那樣的極高溫、高壓的環(huán)境，才能讓燃料加熱到離子化產(chǎn)生聚變。然而一般容器無法應付如此高的溫度，需要對容器和反應進行“約束”，放置離子溢出容器。

故而科學家們逐漸演化出了兩種主流的方案：磁約束和慣性約束。本次 NIF 實驗就屬于后者。

除了對核聚變的可控之外，實現(xiàn)能量盈虧平衡則是另一大難題。

大家可能還記得，我們在前一小節(jié)提到，NIF 實驗人員對激光照射反應邏輯和對環(huán)空器的設(shè)計，都是為了提高聚變反應的效率，讓燃料球“內(nèi)爆”的再快一點。

為什么要提高效率？因為如果效率能夠超過某個閾值，就會出現(xiàn)一種極為特殊的情況：產(chǎn)生的能量超過輸入的能量，也即實現(xiàn)大于1的能量增益（正能量增益）

這樣的情況，在過去難以實現(xiàn)。科學家們花了整整70年，距離這個目標卻一直非常遠：比如在2013年10月15日，NIF 的某一次前序測試才勉強實現(xiàn)了0.0078的能量增益，比正能量增益的1/125還不如。

而在十年后，NIF 終于跨過了正能量增益這一里程碑：在不到10納秒（1秒=十億納秒）的時間里，整個燃料球完成了它的聚變反應，并實現(xiàn)了超過1的能量增益——這當然是件非常值得令人興奮的事情。

“這注定將成為21世紀最令人印象深刻的科學壯舉之一。”美國能源部長 Granholm 表示。

什么時候商業(yè)化？聚變核電站？

在本次事件中，大家主要要看的是能量產(chǎn)出3.15兆焦和能量輸入2.05兆焦這兩個數(shù)字之間的對比。但是，這并不意味著前面那個300兆焦的“插座用電”就不重要。

你可以這樣理解：為了讓這個“激光筆”啟動，我們需要把它插到“插座”上，盡管“激光筆”照射目標用了兩度電，“電表公司”卻告訴我們實際上的電網(wǎng)流量是300度……

在科學上，我們應該聚焦于正能量增益這一決定性的事實。但是從實際應用，從商業(yè)化的角度，我們當然也要關(guān)注300兆焦——百倍耗電的問題。

LLNL主任Budil 博士對此回應：我們的計算預測顯示，可以通過規(guī)模化和合理安排激光裝置的方式，來實現(xiàn)百倍增收，也即獲得數(shù)百兆焦的能量產(chǎn)出。研究團隊有一個理論路徑去實現(xiàn)那樣的未來，但距離它還非常非常的遠。

“（即便考慮今天的成就，）我們?nèi)匀贿€有著許多非常巨大的難題沒有解決。這些問題不只是科學上的，還有技術(shù)上的，”LLNL 主任 Budil 博士指出，“我們只是成功點火了一個燃料倉，就這么一次。”

而想要實現(xiàn)這一可控核聚變技術(shù)的商業(yè)化，還有很多問題需要解決。比如如何把這種單次的聚變，變成多次、可持續(xù)的聚變，今天的科學家還有許多要素并不具備。

“我想距離那樣的未來，可能還要數(shù)十年的時間，”，Budil 表示，“但是我想應該不是60年，也不是50年……我想，只要有各部門各界各行業(yè)的通力合作，對底層技術(shù)進行進一步研究和開發(fā)……可控核聚變發(fā)電站的落成，也許我們有生之年可以看到。”

能源部長 Granholm 則表示，目前拜登政府的能源政策和施政綱領(lǐng)中的確有提及對可控聚變核電站進行研究，但目前尚無新的進展可以分享。毫無疑問，通過清潔、安全、先進的核聚變方式進行發(fā)電是一個非常有價值的方向，不過目前遠未達到可行性研究的階段。

不過 Granholm 也強調(diào)，在可控核聚變發(fā)電技術(shù)方面，美國政府非常需要并且歡迎民間資本的介入：

“在研究的前期，美國財政的研究支持對于取得今天這樣的成績尤為關(guān)鍵，但在之后我們要走的路上，需要公共研究和民間研究齊頭并進。我們非常支持對這一領(lǐng)域感興趣的民間資本，比如投資群體和創(chuàng)業(yè)公司，和我們一起努力在未來（幾）十年內(nèi)打造出可工作的可控核聚變發(fā)電站。”

雖然這位能源部長更為樂觀，一個需要明確的事實是：今天 NIF 的研究人員剛剛?cè)〉酶哂?倍的能源效益。

而在核聚變發(fā)電站的典型設(shè)計中，對磁約束方案的能源效益要求是至少30倍，慣性約束方案至少70倍；常規(guī)的裂變式核電站的能源效益更是極高，以美國為例，全國只有54座核電站、92枚反應堆，卻供應了全國接近五分之一的電力。

未來的路的確很長。

過去一周，NIF 的所有團隊的成員都在非常辛苦地檢查實驗數(shù)據(jù)，對實驗結(jié)果進行驗證。

“你們會發(fā)現(xiàn)，當你點燃一個小燃料倉的時候，發(fā)生了一件很小但又很大的事情……但是與之相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)卻并不‘小’，我們所有團隊所有熟悉業(yè)務和數(shù)據(jù)的成員都需要來檢查和驗證這些數(shù)據(jù)，”Budil 博士表示，不僅內(nèi)部人員參與，在得到了令他們驚訝的結(jié)果之后，他們還必須找了外部專家團隊來進行獨立驗證。

正是這些極其繁瑣、仔細、相互獨立的數(shù)據(jù)驗證工作，才能讓科學家們確認，他們完成了一項長達70年都沒有實現(xiàn)的關(guān)鍵使命，終于實現(xiàn)了那個讓一代又一代物理學家、化學家、計算機科學家們前仆后繼的“奇跡”。

“告訴大家發(fā)生了什么很重要，把事實和證據(jù)給大家看更重要。”

對磁約束有何意義？

Budil 博士指出，作為核聚變的兩種主要實現(xiàn)技術(shù)方案，磁約束和慣性約束在一些數(shù)據(jù)分析檢測方面有些共同點，但在技術(shù)原理和實驗場景上還是有著本質(zhì)的區(qū)別。

簡單來說，磁約束聚變主要是低壓低溫的持續(xù)環(huán)境，而慣性約束是高能高壓高溫的瞬時環(huán)境——注意這里的持續(xù)和瞬時之間區(qū)別其實不大，可能無非也是幾百納秒和幾納秒之間的差異。兩種技術(shù)方案的研究推進，對于未來人類實現(xiàn)通過可控核聚變進行發(fā)電都有著關(guān)鍵意義。

不過從顯示情況來看，由于磁約束方案的研究時間更長，研究力量更多元化（國家、公/私），磁約束方面的核電站概念開發(fā)進度目前更“遠”一些，距離落實可能更近一些。

“激光，激光，全都是激光”

對于家住南灣/東灣的朋友來說，對 Livermore 的印象可能就是奧特萊斯。其實，美國最重要的一座大型公立研究實驗室——勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室，也坐落于這里。

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）落成于1952年，是美國冷戰(zhàn)策略的產(chǎn)物，為了打造最先進的核武器、推進核科學和技術(shù)的研究和應用而建立。

不過到了今天，這個實驗室已經(jīng)發(fā)展出了一系列多元化的研究方向，包括軍工武器和復雜融合、網(wǎng)絡(luò)安全、物理、生物安全、反恐、超級計算等。

比如，美國西海岸最大的超算集群之一，就坐落于 LLNL。在超算歷史上占有一席之地的 IBM 紅杉超級電腦，因為屬于美國國家核安全局高級仿真和計算機化的一部分，也受 LLNL 實驗室的管理。

而承擔了本次實驗的“國家點火裝置”(NIF) 和光粒子科學部門，正是整個 LLNL 旗下最重要和歷史最悠久的部門，沒有之一。

NIF 是整個美國最大規(guī)模、能量最強的激光系統(tǒng)。其占地面積相當于一個美式橄欖球體育場，總共有192套獨立/可合作的激光束生成設(shè)施——所以這次實驗，可以說是“火力全開了”。

這也是為什么 Budil 主任幽默地表示，LLNL的全稱其實是“Lasers, Lasers, Nothing but Lasers.”

“對于 NIF 的研究人員和工作人員來說，這是一個具有里程碑意義的成就。他們的醫(yī)生致力于使得核聚變點火成為現(xiàn)實，這次實驗無疑將激發(fā)更多的發(fā)現(xiàn)。”能源部長 Granholm 表示。

本文作者：杜晨，來源：硅星人，原文標題：《人類“盜火”時刻：可控核聚變首次輸出超過輸入，聚變核電時代來臨》

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關(guān)鍵詞： 能源部長 國家實驗室 聚變反應