NIF的核燃料球就放在圖中的裝置內(nèi)，192束激光會一起轟擊燃料球從而產(chǎn)生核聚變。

ITER結(jié)構(gòu)示意圖。

美國國家點火裝置（NIF）示意圖。

中國航空報訊：12月13日，美國能源部和國家核安全局宣布，美國國家點火裝置（NIF）在12月5日的一次實驗中，成功實現(xiàn)了核聚變點火——聚變產(chǎn)生的能量多于激光輸入的能量。這臺耗資35億美元的裝置將攜帶2.05兆焦耳能量的192束激光打在幾毫米大小的燃料罐上，產(chǎn)生了3.15兆焦的能量——大概能燒開 10壺水。

作為科幻作品最青睞的能源，核聚變擁有很多美妙的性質(zhì)。首先，地球上就有大量核聚變的燃料，如果將海水中的氘全提取出來用作核聚變，那海水的能量密度就能和石油相當(dāng)；其次，核聚變需要外界環(huán)境介入主動維持，一旦設(shè)施失效反應(yīng)會自動停止，安全隱患遠(yuǎn)小于核裂變；另外，核聚變還不會排放溫室氣體、也不會產(chǎn)生半衰期較長的放射性廢料，完全算得上清潔能源。

但除了玩文字游戲，將光伏發(fā)電算作核聚變發(fā)電的人外，人類至今為止還沒有在核聚變上實現(xiàn)輸出大于輸入。

不過情況正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)?shù)貢r間12月13日，美國能源部和國家核安全局宣布，美國國家點火裝置（NIF）成功實現(xiàn)了核聚變點火。激光輸入2.05兆焦耳的能量，核聚變能產(chǎn)生3.15兆焦的能量——輸出能量正好能把10升水從25攝氏度燒到100攝氏度。

核聚變點火

NIF是一臺耗資35億美元、占地相當(dāng)于3個美式足球場的裝置，它從2010年就已經(jīng)開始了試驗，原本計劃在2012年實現(xiàn)核聚變點火，但計劃卻一再被延誤，預(yù)算也不斷超支。實驗過程中，NIF可以發(fā)出1053納米的紅外脈沖，脈沖分為192束，每束激光長度僅有幾納秒。紅外激光會被轉(zhuǎn)換成351納米的紫外線，最終聚焦在燃料球上。燃料球是一個鉛筆橡皮大小的金罐，里面裝有胡椒粒大小的燃料艙。金被加熱到數(shù)百萬度，會發(fā)出X射線，使膠囊的鉆石殼蒸發(fā)。爆破的鉆石使燃料內(nèi)爆（implosion），壓縮并加熱燃料艙中的氘和氚，從而實現(xiàn)核聚變。

如果實驗的條件足夠理想，那么聚變反應(yīng)會在中心熱點開始并平穩(wěn)地向外傳播，聚變產(chǎn)生的熱量會引發(fā)更多核燃燒，這種核燃料自我維持燃燒的狀態(tài)被稱為核聚變點火。實現(xiàn)核聚變點火所需要的條件被稱為勞森判據(jù)（Lawson Criterion），它指的是核聚變材料的密度、溫度和禁錮時間三者之積必須超過1025eV·s·m-3，才有可能實現(xiàn)核聚變產(chǎn)能。

去年8月8日，NIF就已經(jīng)讓核聚變輸出能量達(dá)到了輸入能量的70%。今年8月8日，研究團(tuán)隊在《物理評論快報》上介紹了那次實驗成果。他們在實驗中已經(jīng)突破了勞森判據(jù)，但還沒有實現(xiàn)最終的能量收支平衡，當(dāng)時輸入的能量為1.92兆焦耳，聚變反應(yīng)能量達(dá)到了1.37兆焦耳。

但那次突破之后，NIF團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)他們一直無法重現(xiàn)當(dāng)時的成功。后來發(fā)現(xiàn)使用光滑的鉆石膠囊是關(guān)鍵（smooth diamond capsule）——2021年8月那個是最光滑和接近球形的。他們還使膠囊變厚了一些，提供了更大的動量，但需要更長、更強(qiáng)大的激光脈沖。因此調(diào)整了激光，將能量從1.9兆焦提高到2.05兆焦。

今年9月的一次實驗產(chǎn)生了1.2兆焦耳能量，研究者認(rèn)為他們走的路是正確的。但那次燃料球被壓扁了，并沒有被均勻壓縮，激光脈沖還需要經(jīng)過精細(xì)調(diào)整。最后，通過調(diào)整激光的192束光束之間的能量，它們能夠獲得更加球形的內(nèi)爆。終于在12月5日得到了這樣的結(jié)果——輸入2.05兆焦耳，輸出3.15兆焦耳。

不能發(fā)電的核聚變

美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）主任金·布迪爾（Kim Budil）將這次成就歸為一次概念證明：“我不想讓你覺得我們要把NIF接入電網(wǎng)：這絕對不是它的工作原理。但這（次成就）是慣性約束方案不可或缺的一部分。”美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室是NIF的主管單位。

如果算總賬的話，NIF離輸出大于輸入還差得很遠(yuǎn)。NIF的激光器效率低下，為了產(chǎn)生2.05兆焦耳能量的激光，激光器需要消耗322兆焦耳的能量。為了實現(xiàn)總輸出大于總輸入，NIF至少還需要將效率提升兩個數(shù)量級。

羅徹斯特大學(xué)激光能量學(xué)實驗室的里卡多·貝蒂（Riccardo Betti）表示，目前的實驗方案還有另一個低效率問題——它依賴于“間接驅(qū)動”，引發(fā)核聚變的并不是激光本身，而是激光沖擊金罐時產(chǎn)生的X射線。只有1%的激光能量能進(jìn)入燃料。他更贊成“直接驅(qū)動”，這是他的實驗室采用的方法，激光的能量利用率能達(dá)到5%。2020年，貝蒂曾以NIF核聚變能源科學(xué)咨詢委員會委員的身份參與撰寫過一份報告，建議NIF使用“直接驅(qū)動”。“我們需要一種新的范式，”貝蒂說，但“沒有明確的方法可以做到這一點。”

此外，如果想用NIF發(fā)電的話，實驗重復(fù)速度也是一個重要的問題。目前NIF每天只能進(jìn)行1次這樣的實驗，為了讓發(fā)電功率能與真正的發(fā)電廠相匹敵，NIF 需要將實驗頻率提升到每天100萬次——大約每秒10次。每天需要制造、填充、定位、爆破和清理一百萬個膠囊同樣是一項巨大的工程挑戰(zhàn)。

NIF整體而言相對低效還有一個重要的原因。“NIF并不是為了高效而設(shè)計的，”紐約伊薩卡康奈爾大學(xué)的核工程師戴夫·哈默（Dave Hammer）說。“它被設(shè)計成我們能建造的最大的激光器，是為了為我們提供核庫存研究計劃所需要的數(shù)據(jù)。”

從NIF所屬的組織架構(gòu)就能看出端倪。NIF屬于美國勞倫-斯利弗莫爾國家實驗室，后者是美國核安全局的下屬單位，而美國核安全局則由一名美國能源部副部長專職管理。在美國，核武器、核反應(yīng)堆都?xì)w能源部（United States Department of Energy，DOE）管理。曾在美國海軍研究實驗室擔(dān)任激光聚變項目負(fù)責(zé)人的物理學(xué)家斯蒂芬·博德納（Stephen Bodner）說：“現(xiàn)在最大的問題是看能源部接下來要做什么：是加強(qiáng)NIF對核武器的研究力度？還是轉(zhuǎn)向面向聚變能源的研究？”

“人造太陽”呢？

實現(xiàn)核聚變主要有兩條路線：慣性約束和磁約束。NIF屬于慣性約束，用激光脈沖給核燃料加熱加壓實現(xiàn)核聚變。而平時我們在新聞上看到的“中國太陽”則屬于磁約束裝置。磁約束一般使用的是托卡馬克（近年來，另一類名為“仿星器”的設(shè)備也獲得了一定的影響力），它能利用強(qiáng)大的環(huán)形磁場將一大團(tuán)高溫等離子體束縛在其中，使其發(fā)生核聚變。從全世界范圍來看，磁約束是更主流的方案。

過去兩年中，中國和韓國的“人造太陽”不斷刷新著高溫、長時間運行的紀(jì)錄——這是讓磁約束核聚變實現(xiàn)點火、輸出大于輸入的關(guān)鍵手段。不過其實，中國和韓國的實驗都是更大實驗的一部分，都是為了更深度參與國際熱核聚變實驗堆（ITER）。

世界上最重要的托卡馬克裝置非ITER莫屬了，它是由歐盟、美國、中國、日本、俄羅斯、印度和韓國出資建設(shè)的國際合作項目。2020年7月28日，ITER在法國展開了總裝任務(wù)。在計劃中，ITER是一項將要持續(xù)20年的任務(wù)，最終任務(wù)目標(biāo)是實現(xiàn)能量效率Q值達(dá)到10，輸入50兆瓦的能量，輸出500兆瓦的聚變能量。但I(xiàn)TER目前也面臨著工期拖延的問題，而且，就算ITER真的實現(xiàn)了500兆瓦的能量輸出，它也只是一個實驗項目，而不是成熟的商業(yè)項目。

當(dāng)然，核聚變并不只有國際合作項目。去年，我國立項了中國聚變工程實驗堆（CFETR），計劃在2035年開始開展大規(guī)模科學(xué)實驗，在2050年建設(shè)聚變商用示范堆。

所以，雖然核聚變發(fā)電距離我們還很遙遠(yuǎn)，但至少也沒有一直停留在“永遠(yuǎn)的50年”這一水平。在全世界科學(xué)家的努力下，可控核聚變已經(jīng)離我們越來越近了。