美国宣布首次实现核聚变净能量增益，距离商业化还有多远？

【文/观察者网 李泽西】

“这一重大科学突破，是我们走向清洁能源未来的一个里程碑。”

当地时间12月13日，美国能源部宣布，其下属劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的一个团队，12月5日在国家点火设施（下称“NIF”）进行了历史上第一次可控核聚变实验，实现了“核聚变点火”(fusion ignition)，该反应产生的能量超过所消耗的能量。

“这是一个酝酿了几十年的公告，”美国能源部称，这一突破将永远改变清洁能源和美国国防的未来。

NIF资料图

定量是否“实现”了可控核聚变的判断标准，是看核聚变装置输出的能量与输入的能量的比例，称为Q值。如果Q≤1，即产出的能量不及输入的能量，对于科学研究还是有意义的，但核聚变还是在耗费其他能源来源，显然无法为人类提供能量。如果输出的能量超出输入的能力，则Q>1，核聚变理论上被认为“实现了”，可能可以开始为人类发电了。

美国能源部透露，NIF投入了205万焦耳能量，使大约4%核聚变燃料产生反应，产出了315万焦耳能量，Q值大约达1.5。

但仅仅因为设计出一种能量增益的聚变反应，并不意味着人类发电方式的任何有意义的变化即将到来。有分析称，美国此次只是在实验室进行的原理验证水平上的成功，发出的电量实际上只是“相当于烧开10壶水”。而要想真正获得商用价值，其产出-输入比还需要提高约100倍。

实际上，NIF的激光实际上每次试验背后都需要超过3亿焦耳，给电容器充电，以及运行其他所需设备。

中国科学技术大学副研究员，风云学会会长袁岚峰指出，只有当Q达到10，核聚变才有商业价值，因此NIF此次成果只能被理解为一个阶段性成果。

在发布会上，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金伯利·布迪尔（KimberleyBudil）也坦承，要实现商业核聚变发电，还需要做“许多事情”，其中就包括“每分钟产生许多次核聚变点火”，这一过程可能还要花几十年。她表示，NIF目前使用的激光技术“基于1980年代”，下一步需要升级相关设施，简化流程以提高其可重复性，未来每次可产生“数亿焦耳”能量。

净能量增益聚变反应之所以如此难以捉摸，其原因在很大程度上是因为科学家必须在实验室中产生极端条件才能使反应发生。通常，需要使用巨大的激光器将氢的同位素加热到数百万摄氏度的温度。然后，产生的等离子体被限制在极高的压力下，导致同位素以足够的力量聚集在一起，使它们融合成不同的元素。当它们融合成不同的元素时，则以热量的形式释放出能量。

NIF使用的环空器，用于装核聚变燃料（图源：NIF）

中国科学技术大学等离子体物理与聚变工程系副主任吴征威向观察者网表示，美国建设NIF的初衷不是为了发电，而是为了模拟核爆炸。他认为，NIF目前还没有针对连续获取聚变产生热量的完整设计；在走向未来的潜在商业化途中，NIF采用的技术方案需要考虑激光等设施本身高昂的建设和运行成本。

美国能源部“核聚变点火”消息发布之际，拜登政府正致力于发展清洁发电，并且特别强调了聚变能源，最近美国通过的《降低通货膨胀法》为该领域的研究提供了大量资金。

核聚变是怎么回事？

自核聚变技术1930年代诞生以来，该行业的口号似乎一直是“三十年内，我们有望建成可产出能源的核聚变反应堆”。早在1940年代，科学家们就开始试验聚变反应堆。虽然它们长期以来一直能够产生聚变反应，但直到现在，这些反应总是需要输入超过它们最终所产生的能量。

核聚变，是指将两个较轻的原子核结合，形成其他的核子；不过，一般来说“产生新原子”不是目的。该过程中，新生核子质量不及原来核子质量，质量没有守恒，多出的质量被转换为光子能量；产出的能量根据爱因斯坦著名的质能守恒方程“E=Mc^2（能量=质量x光速^2）”。科学家希望利用这一过程产出的能量。

质量最轻的核子分别是氢和氦，这两个元素在核聚变中最常见。太阳就是通过不断地将氢原子变成氦原子而持续释放热量，在其生命接近尾声时也将开始“燃烧”氦原子，因此核聚变也有时被称为“人造太阳”技术。

氘氚聚变反应（图源：IAEA）

不过，宇宙中最常见的氢同位素（同一原子不同的同位素，区别在于其中子数量，不过由于同位素之间质子数量一样，除了重量差异，日常化学反应上没有区别）是“氕”（即一个质子，占氢总量>99%），而氕需要100亿度左右的温度，才能突破两个质子（都是+1e电荷，正正相斥）之间的静电能量壁垒，从而结合。太阳中心“只有”1500万度，一度被认为无法实现核聚变，不过科学家后来发现，质子可以偶尔经由波函数的隧道，穿过这一障碍。即便如此，太阳每年也只能聚变其0.000000000001%的燃料，太阳的热量主要还是源于其巨大的基数。

而人类显然无法创造太阳这么大的反应堆基数。更大的问题是，太阳内的氕原子因太阳巨大的引力，很难自己“逃跑”，因此太阳可以维持自己当前的温度和压力（高达2000亿大气压），“耐心等待”氕原子偶然发生聚变。人类要想在“又冷又松散”的地球上复制太阳核心的条件已经够难了，更不可能“耐心等待”原子偶然发生聚变。

幸运的是，人类可以采取其他反应实现核聚变。氢的同位素除了最常见的氕，还有氘（1质子+1中子）和氚（1质子+2中子）。中子的存在，加大了核子之间强核力的作用；质子既有互相吸引的强核力，也有互相排斥的电磁力，而没有电荷的中子，与质子和自己之间只有同等强度的强核力，不存在排斥力。氘氚之间的聚变反应，“只需要”1500万度，“连太阳都能正常实现”，反应产出一个氦-4核子和一个中子。

NIF就是采用了氘氚聚变路线。为了至少短时间内实现核聚变，NIF使用全世界最强的激光，通过192个射线，在几纳秒内输送5万亿瓦功率的光能。激光的“靶子”，是一个名叫“环空器”的空腔，中间包含氘氚燃料。激光输入的能量，使燃料温度达1亿度，核聚变反应“点火”，从而产生能量，故名“国家点火装置”。这一技术路线称为“惯性约束聚变”。

NIF惯性约束聚变（图源：《金融时报》）

该反应要求环空器内壁和燃料小球形态完全对称，使得燃料小球得以均衡接受能量，连微米级别的缺陷都不允许，否则在不对称加热情况下，激光带来的能量可能从小球的一侧往外释放，无法使氘氚燃料内爆至核聚变发生。

据劳伦斯利弗莫尔国家实验室介绍，NIF通过测量产出的中子数量，倒推出发生的氘氚反应数量，从而得出能量产出额。

随着人类高端制造愈发精细化，制作愈发完美的环空器和燃料小球，“惯性约束聚变”下的核聚变效率得以不断提升。据《科学美国人》1974年的估算，“惯性约束聚变”理论上可实现输入140万焦耳，得出3000万焦耳，Q>20。

“‘人造太阳’技术更成熟”

“惯性约束聚变”之外，核聚变的另一个技术路线是“托卡马克核聚变”。1950年代，苏联科学家开始托卡马克技术的相关研究。“托卡马克”是俄语中“环形”、“真空室”、“磁”和“线圈”的缩写。这个名称起的极其恰当：在托卡马克的真空中，核聚变燃料等离体在线圈电流产生的极强磁场作用下，迅速环形运转。

物理学家的希望是，核聚变燃料在这一情况下可偶尔突破静电能量壁垒，实现核聚变，维持这一状态够久，或能产出净能量。吴征威表示，就目前进展而言，磁约束聚变装置运行模式更持续，能量输出更稳定，且能量获取模式更为成熟。

布迪尔在13日的发布会上也表示，用磁场控制等离体核聚变燃料的技术，目前更为接近发电站中的实际应用。

因此，托卡马克技术远比“惯性约束聚变”的技术应用广泛。法国、澳大利亚、日本等少数西方国家在“惯性约束聚变”技术方面进行一些尝试，不过只有美国的NIF在此实现显著的成果。而托卡马克技术，除了多国独自运行的反应堆实验装置，还有35国共同参与的“国际热核聚变实验反应堆”（ITER）。

ITER早在1988年启动，预计将实现Q>10，但是施工过程持续延迟，至今未完成。袁岚峰认为，“当这么多国家同时参与，任何一方面的反对都能将这一项目陷入停滞”。根据最新估计，ITER将于2035年启动氘氚反应，不过这也需要绕过一些环保主义者等群体的持续反对。

中国独自建立运行的著名“人造太阳”设施近年持续取得进展，2021年底实现 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行。不过，袁岚峰告诉观察者网，“人造太阳”技术上“无法同时实现核聚变对温度、等离子密度和持续时间”的要求；“人造太阳”所取得的成果，将通过预计2030年代建成的“中国聚变工程实验堆”实现中国的核聚变之梦。

中国“人造太阳”内部

此外，还有美国物理学家1950年代研发的仿星器技术。仿星器技术与托卡马克技术路线大致相似，所需能源少一些、设计参数相对灵活，不过磁场更为复杂，且在托卡马克技术风靡全球后一度遭到冷落，长期没有显著进展。近年，随着托卡马克技术路线遭遇一系列困难，美国等国对仿星器技术重新燃起了一定的兴趣；这也被认为是美国近年威胁撤出ITER的原因之一。

“氢弹”和“锂弹”

氘是氢的一个稳定同位素，丰度为0.0156%，可以直接从水里通过分解等常规工业手段提取。氚具放射性，半衰年为12.43年，因此需要人为“现用现造”；一般生产途径是用中子撞击锂的两个主要同位素（锂-6和锂-7）。目前最常见的生产途径是利用核裂变过程产出的中子触发锂的聚变，不过由于氘氚反应本身也会产生中子，随着未来的持续研发，或许可能实现“产业链闭环”。

相较更出名的核裂变，核聚变产生的核废料一般半衰期极短，即很快就消失，且由于需要极高的温度和压力（核裂变一般只需要几千度，在正常气压下亦可持续），反应堆出现任何意外情况，反应会立刻自动终止，基本不存在核泄漏的风险。两者的碳排放理论上均为零，都被认为是“清洁能源的未来”，不过核聚变由于没有核裂变的负面包袱而相对更受青睐。

核裂变的发生原理是因为如若较重的原子核分裂，新生核子质量也会不及原来核子质量。

核结合能，从轻重两端“往上走”释放能量，顶部的铁（Fe）“最稳定”

不过，这些较重的原子只可能在恒星爆炸过程中产生，分布较少，因此燃料有限。此外，虽然核裂变的能量密度极高，常用于一些需要极高能量密度的航天应用，但是其能量密度远不及核聚变：每公斤铀裂变大约产生80万亿焦耳的能量，但是每公斤氘氚聚变大约产生340万亿焦耳的能量。

这也是为什么氢弹比原子弹威力更大；全球目前威力最大的“沙皇炸弹”就是一个典型的氢弹，威力超5000万吨爆炸当量。原子弹的工作原理相对简单，一个触发机制引爆核裂变链式反应。氢弹则需要上述核裂变反应发生，诱发核聚变反应；实际上，大多数当代的氢弹中，只含少量的氢原子，大多数核聚变燃料实际上是锂，通过吸收核裂变反应产生的中子迅速聚变为核聚变燃料。有些人甚至称，“氢弹”实际上应该改名“锂弹”，才能更准确的反应其中储存的核聚变燃料。

氢弹爆炸过程（图源：中国工程物理研究院）

“氢弹”于1952年首次引爆，然而用核聚变产生能量的研究就复杂多了，因为氢弹是通过核裂变带来的威力才能在一瞬间维持核聚变反应；虽然核聚变释放的能量远超核裂变所投入的能量（Q达数十），但这一反应显然是不可控的。

在和平核聚变研究的开始，科学家很快发现无法轻易复制太阳或氢弹中心的条件，因此有些科学家提议，是否可以直接从氢弹提取核聚变能量？美国在1970年代一度研究过“PACER项目”，即在地下盐丘中连续引爆氢弹，通过产生的热能发电。不过，该项目因“巨大的技术难度”、“公众对此的潜在反对”以及“没有价格优势”而在1975年被叫停。

一定程度上，“惯性约束聚变”与氢弹的原理有些相同之处。两者都是利用外来的能源，“脉冲式”瞬间“点火”核聚变反应，希望在核聚变温度条件成熟，而燃料尚未散开的短暂窗口期间，产出超出投入的能量。“惯性约束聚变”由于规模更小，这一窗口也就更为短暂，因此此前一直无法突破Q>1的界限。

此外，许多航天机构还多次研究过核脉冲推进，即通过持续的核反应快速高效加速航天器。英国星际学会曾在1970年代提出“代达罗斯计划”，利用“惯性约束聚变”，将一个无人卫星50年内飞经距离地球6光年的巴纳德星。美国国家航天局也曾在1980年代研究过“Longshot计划（‘孤注一掷计划’）”，也利用“惯性约束聚变”，将一个无人卫星数十年内送抵距离地球4光年的南门二。两个计划目前都没有得到任何政府的重视。

目前核聚变研究基本上都使用技术要求最低的氘氚反应。放眼未来，“简易程度”仅次于氘氚反应的是氘和氦-3（2个质子和一个中子）反应，也有较为广阔的发展前景，可能可以推动人类走向太空。在月球上，中国等国的航天局已经发现了大量氦-3矿，一方面成为多国探月的目标之一，另一方面也可成为进一步探索宇宙的重要燃料。

吴征威认为，虽然我们距离商用的核聚变还有较远的距离，但是NIF能实现增益“确实已经很了不起了”，将推动人类进一步接近解锁核聚变的“无限能源可能”。