美國宣佈首次實現核聚變淨能量增益，距離商業化還有多遠？

【文/觀察者網 李澤西】

“這一重大科學突破，是我們走向清潔能源未來的一個里程碑。”

當地時間12月13日，美國能源部宣佈，其下屬勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的一個團隊，12月5日在國家點火設施（下稱“NIF”）進行了歷史上第一次可控核聚變實驗，實現了“核聚變點火”(fusion ignition)，該反應產生的能量超過所消耗的能量。

“這是一個醖釀了幾十年的公告，”美國能源部稱，這一突破將永遠改變清潔能源和美國國防的未來。

NIF資料圖

定量是否“實現”了可控核聚變的判斷標準，是看核聚變裝置輸出的能量與輸入的能量的比例，稱為Q值。如果Q≤1，即產出的能量不及輸入的能量，對於科學研究還是有意義的，但核聚變還是在耗費其他能源來源，顯然無法為人類提供能量。如果輸出的能量超出輸入的能力，則Q>1，核聚變理論上被認為“實現了”，可能可以開始為人類發電了。

美國能源部透露，NIF投入了205萬焦耳能量，使大約4%核聚變燃料產生反應，產出了315萬焦耳能量，Q值大約達1.5。

但僅僅因為設計出一種能量增益的聚變反應，並不意味着人類發電方式的任何有意義的變化即將到來。有分析稱，美國此次只是在實驗室進行的原理驗證水平上的成功，發出的電量實際上只是“相當於燒開10壺水”。而要想真正獲得商用價值，其產出-輸入比還需要提高約100倍。

實際上，NIF的激光實際上每次試驗背後都需要超過3億焦耳，給電容器充電，以及運行其他所需設備。

中國科學技術大學副研究員，風雲學會會長袁嵐峯指出，只有當Q達到10，核聚變才有商業價值，因此NIF此次成果只能被理解為一個階段性成果。

在發佈會上，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任金伯利·布迪爾（KimberleyBudil）也坦承，要實現商業核聚變發電，還需要做“許多事情”，其中就包括“每分鐘產生許多次核聚變點火”，這一過程可能還要花幾十年。她表示，NIF目前使用的激光技術“基於1980年代”，下一步需要升級相關設施，簡化流程以提高其可重複性，未來每次可產生“數億焦耳”能量。

淨能量增益聚變反應之所以如此難以捉摸，其原因在很大程度上是因為科學家必須在實驗室中產生極端條件才能使反應發生。通常，需要使用巨大的激光器將氫的同位素加熱到數百萬攝氏度的温度。然後，產生的等離子體被限制在極高的壓力下，導致同位素以足夠的力量聚集在一起，使它們融合成不同的元素。當它們融合成不同的元素時，則以熱量的形式釋放出能量。

NIF使用的環空器，用於裝核聚變燃料（圖源：NIF）

中國科學技術大學等離子體物理與聚變工程系副主任吳徵威向觀察者網表示，美國建設NIF的初衷不是為了發電，而是為了模擬核爆炸。他認為，NIF目前還沒有針對連續獲取聚變產生熱量的完整設計；在走向未來的潛在商業化途中，NIF採用的技術方案需要考慮激光等設施本身高昂的建設和運行成本。

美國能源部“核聚變點火”消息發佈之際，拜登政府正致力於發展清潔發電，並且特別強調了聚變能源，最近美國通過的《降低通貨膨脹法》為該領域的研究提供了大量資金。

核聚變是怎麼回事？

自核聚變技術1930年代誕生以來，該行業的口號似乎一直是“三十年內，我們有望建成可產出能源的核聚變反應堆”。早在1940年代，科學家們就開始試驗聚變反應堆。雖然它們長期以來一直能夠產生聚變反應，但直到現在，這些反應總是需要輸入超過它們最終所產生的能量。

核聚變，是指將兩個較輕的原子核結合，形成其他的核子；不過，一般來説“產生新原子”不是目的。該過程中，新生核子質量不及原來核子質量，質量沒有守恆，多出的質量被轉換為光子能量；產出的能量根據愛因斯坦著名的質能守恆方程“E=Mc^2（能量=質量x光速^2）”。科學家希望利用這一過程產出的能量。

質量最輕的核子分別是氫和氦，這兩個元素在核聚變中最常見。太陽就是通過不斷地將氫原子變成氦原子而持續釋放熱量，在其生命接近尾聲時也將開始“燃燒”氦原子，因此核聚變也有時被稱為“人造太陽”技術。

氘氚聚變反應（圖源：IAEA）

不過，宇宙中最常見的氫同位素（同一原子不同的同位素，區別在於其中子數量，不過由於同位素之間質子數量一樣，除了重量差異，日常化學反應上沒有區別）是“氕”（即一個質子，佔氫總量>99%），而氕需要100億度左右的温度，才能突破兩個質子（都是+1e電荷，正正相斥）之間的靜電能量壁壘，從而結合。太陽中心“只有”1500萬度，一度被認為無法實現核聚變，不過科學家後來發現，質子可以偶爾經由波函數的隧道，穿過這一障礙。即便如此，太陽每年也只能聚變其0.000000000001%的燃料，太陽的熱量主要還是源於其巨大的基數。

而人類顯然無法創造太陽這麼大的反應堆基數。更大的問題是，太陽內的氕原子因太陽巨大的引力，很難自己“逃跑”，因此太陽可以維持自己當前的温度和壓力（高達2000億大氣壓），“耐心等待”氕原子偶然發生聚變。人類要想在“又冷又鬆散”的地球上覆制太陽核心的條件已經夠難了，更不可能“耐心等待”原子偶然發生聚變。

幸運的是，人類可以採取其他反應實現核聚變。氫的同位素除了最常見的氕，還有氘（1質子+1中子）和氚（1質子+2中子）。中子的存在，加大了核子之間強核力的作用；質子既有互相吸引的強核力，也有互相排斥的電磁力，而沒有電荷的中子，與質子和自己之間只有同等強度的強核力，不存在排斥力。氘氚之間的聚變反應，“只需要”1500萬度，“連太陽都能正常實現”，反應產出一個氦-4核子和一箇中子。

NIF就是採用了氘氚聚變路線。為了至少短時間內實現核聚變，NIF使用全世界最強的激光，通過192個射線，在幾納秒內輸送5萬億瓦功率的光能。激光的“靶子”，是一個名叫“環空器”的空腔，中間包含氘氚燃料。激光輸入的能量，使燃料温度達1億度，核聚變反應“點火”，從而產生能量，故名“國家點火裝置”。這一技術路線稱為“慣性約束聚變”。

NIF慣性約束聚變（圖源：《金融時報》）

該反應要求環空器內壁和燃料小球形態完全對稱，使得燃料小球得以均衡接受能量，連微米級別的缺陷都不允許，否則在不對稱加熱情況下，激光帶來的能量可能從小球的一側往外釋放，無法使氘氚燃料內爆至核聚變發生。

據勞倫斯利弗莫爾國家實驗室介紹，NIF通過測量產出的中子數量，倒推出發生的氘氚反應數量，從而得出能量產出額。

隨着人類高端製造愈發精細化，製作愈發完美的環空器和燃料小球，“慣性約束聚變”下的核聚變效率得以不斷提升。據《科學美國人》1974年的估算，“慣性約束聚變”理論上可實現輸入140萬焦耳，得出3000萬焦耳，Q>20。

“‘人造太陽’技術更成熟”

“慣性約束聚變”之外，核聚變的另一個技術路線是“託卡馬克核聚變”。1950年代，蘇聯科學家開始託卡馬克技術的相關研究。“託卡馬克”是俄語中“環形”、“真空室”、“磁”和“線圈”的縮寫。這個名稱起的極其恰當：在託卡馬克的真空中，核聚變燃料等離體在線圈電流產生的極強磁場作用下，迅速環形運轉。

物理學家的希望是，核聚變燃料在這一情況下可偶爾突破靜電能量壁壘，實現核聚變，維持這一狀態夠久，或能產出淨能量。吳徵威表示，就目前進展而言，磁約束聚變裝置運行模式更持續，能量輸出更穩定，且能量獲取模式更為成熟。

布迪爾在13日的發佈會上也表示，用磁場控制等離體核聚變燃料的技術，目前更為接近發電站中的實際應用。

因此，託卡馬克技術遠比“慣性約束聚變”的技術應用廣泛。法國、澳大利亞、日本等少數西方國家在“慣性約束聚變”技術方面進行一些嘗試，不過只有美國的NIF在此實現顯著的成果。而託卡馬克技術，除了多國獨自運行的反應堆實驗裝置，還有35國共同參與的“國際熱核聚變實驗反應堆”（ITER）。

ITER早在1988年啓動，預計將實現Q>10，但是施工過程持續延遲，至今未完成。袁嵐峯認為，“當這麼多國家同時參與，任何一方面的反對都能將這一項目陷入停滯”。根據最新估計，ITER將於2035年啓動氘氚反應，不過這也需要繞過一些環保主義者等羣體的持續反對。

中國獨自建立運行的著名“人造太陽”設施近年持續取得進展，2021年底實現 1056 秒的長脈衝高參數等離子體運行。不過，袁嵐峯告訴觀察者網，“人造太陽”技術上“無法同時實現核聚變對温度、等離子密度和持續時間”的要求；“人造太陽”所取得的成果，將通過預計2030年代建成的“中國聚變工程實驗堆”實現中國的核聚變之夢。

中國“人造太陽”內部

此外，還有美國物理學家1950年代研發的仿星器技術。仿星器技術與託卡馬克技術路線大致相似，所需能源少一些、設計參數相對靈活，不過磁場更為複雜，且在託卡馬克技術風靡全球后一度遭到冷落，長期沒有顯著進展。近年，隨着託卡馬克技術路線遭遇一系列困難，美國等國對仿星器技術重新燃起了一定的興趣；這也被認為是美國近年威脅撤出ITER的原因之一。

“氫彈”和“鋰彈”

氘是氫的一個穩定同位素，丰度為0.0156%，可以直接從水裏通過分解等常規工業手段提取。氚具放射性，半衰年為12.43年，因此需要人為“現用現造”；一般生產途徑是用中子撞擊鋰的兩個主要同位素（鋰-6和鋰-7）。目前最常見的生產途徑是利用核裂變過程產出的中子觸發鋰的聚變，不過由於氘氚反應本身也會產生中子，隨着未來的持續研發，或許可能實現“產業鏈閉環”。

相較更出名的核裂變，核聚變產生的核廢料一般半衰期極短，即很快就消失，且由於需要極高的温度和壓力（核裂變一般只需要幾千度，在正常氣壓下亦可持續），反應堆出現任何意外情況，反應會立刻自動終止，基本不存在核泄漏的風險。兩者的碳排放理論上均為零，都被認為是“清潔能源的未來”，不過核聚變由於沒有核裂變的負面包袱而相對更受青睞。

核裂變的發生原理是因為如若較重的原子核分裂，新生核子質量也會不及原來核子質量。

核結合能，從輕重兩端“往上走”釋放能量，頂部的鐵（Fe）“最穩定”

不過，這些較重的原子只可能在恆星爆炸過程中產生，分佈較少，因此燃料有限。此外，雖然核裂變的能量密度極高，常用於一些需要極高能量密度的航天應用，但是其能量密度遠不及核聚變：每公斤鈾裂變大約產生80萬億焦耳的能量，但是每公斤氘氚聚變大約產生340萬億焦耳的能量。

這也是為什麼氫彈比原子彈威力更大；全球目前威力最大的“沙皇炸彈”就是一個典型的氫彈，威力超5000萬噸爆炸當量。原子彈的工作原理相對簡單，一個觸發機制引爆核裂變鏈式反應。氫彈則需要上述核裂變反應發生，誘發核聚變反應；實際上，大多數當代的氫彈中，只含少量的氫原子，大多數核聚變燃料實際上是鋰，通過吸收核裂變反應產生的中子迅速聚變為核聚變燃料。有些人甚至稱，“氫彈”實際上應該改名“鋰彈”，才能更準確的反應其中儲存的核聚變燃料。

氫彈爆炸過程（圖源：中國工程物理研究院）

“氫彈”於1952年首次引爆，然而用核聚變產生能量的研究就複雜多了，因為氫彈是通過核裂變帶來的威力才能在一瞬間維持核聚變反應；雖然核聚變釋放的能量遠超核裂變所投入的能量（Q達數十），但這一反應顯然是不可控的。

在和平核聚變研究的開始，科學家很快發現無法輕易複製太陽或氫彈中心的條件，因此有些科學家提議，是否可以直接從氫彈提取核聚變能量？美國在1970年代一度研究過“PACER項目”，即在地下鹽丘中連續引爆氫彈，通過產生的熱能發電。不過，該項目因“巨大的技術難度”、“公眾對此的潛在反對”以及“沒有價格優勢”而在1975年被叫停。

一定程度上，“慣性約束聚變”與氫彈的原理有些相同之處。兩者都是利用外來的能源，“脈衝式”瞬間“點火”核聚變反應，希望在核聚變温度條件成熟，而燃料尚未散開的短暫窗口期間，產出超出投入的能量。“慣性約束聚變”由於規模更小，這一窗口也就更為短暫，因此此前一直無法突破Q>1的界限。

此外，許多航天機構還多次研究過核脈衝推進，即通過持續的核反應快速高效加速航天器。英國星際學會曾在1970年代提出“代達羅斯計劃”，利用“慣性約束聚變”，將一個無人衞星50年內飛經距離地球6光年的巴納德星。美國國家航天局也曾在1980年代研究過“Longshot計劃（‘孤注一擲計劃’）”，也利用“慣性約束聚變”，將一個無人衞星數十年內送抵距離地球4光年的南門二。兩個計劃目前都沒有得到任何政府的重視。

目前核聚變研究基本上都使用技術要求最低的氘氚反應。放眼未來，“簡易程度”僅次於氘氚反應的是氘和氦-3（2個質子和一箇中子）反應，也有較為廣闊的發展前景，可能可以推動人類走向太空。在月球上，中國等國的航天局已經發現了大量氦-3礦，一方面成為多國探月的目標之一，另一方面也可成為進一步探索宇宙的重要燃料。

吳徵威認為，雖然我們距離商用的核聚變還有較遠的距離，但是NIF能實現增益“確實已經很了不起了”，將推動人類進一步接近解鎖核聚變的“無限能源可能”。