可控核聚變點(diǎn)火成功，在無(wú)限清潔能源領(lǐng)域真的搶先一步？

年末常有大事發(fā)生，前幾日，這一碩果降落在核聚變領(lǐng)域，即使只是不到一秒的突破也足以令學(xué)界興奮。當(dāng)?shù)貢r(shí)間13日，美國(guó)能源部官員宣布，由美國(guó)政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）“國(guó)家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施”進(jìn)行了歷史上首次可控核聚變實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”，核聚變實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的能量多于用于驅(qū)動(dòng)核聚變的激光能量。

切爾諾貝利核泄漏廢棄城市

在清潔能源的終極技術(shù)核聚變領(lǐng)域，各國(guó)無(wú)論從能源還是國(guó)防的角度出發(fā)，都始終未放棄該領(lǐng)域的探索。以美國(guó)來(lái)說(shuō)，據(jù)美能源部介紹，本次試驗(yàn)的主體設(shè)施——“國(guó)家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施”（NIF）是全球最大、能量最高的激光系統(tǒng)，其使用超強(qiáng)激光束來(lái)產(chǎn)生與恒星和巨型行星核心以及核武器內(nèi)部相當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ΑＣ绹?guó)國(guó)家核安全管理局副局長(zhǎng)馬文·亞當(dāng)斯表示，激光束將大量熱量集中在一個(gè)微型球形膠囊上，結(jié)果是一個(gè)過(guò)熱的等離子體環(huán)境，其中反應(yīng)產(chǎn)生的能量比用于產(chǎn)生它的激光中所包含的能量多，約為1.5倍。

國(guó)家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施（圖源： Lawrence Livermore National Laboratory YouTube）

這個(gè)設(shè)施建成于2009年，美國(guó)國(guó)家核安全管理局在加州的LLNL建成了這個(gè)國(guó)家點(diǎn)火裝置，在高10層、約有3個(gè)足球場(chǎng)大的建筑物中開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。值得一提的是，NIF原定目標(biāo)是在2012年完成“點(diǎn)火”，但這一目標(biāo)未能如期達(dá)成。由此，NIF多年來(lái)備受爭(zhēng)議，業(yè)內(nèi)一度認(rèn)為它可能永遠(yuǎn)無(wú)法成功“點(diǎn)火”。

此前美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施進(jìn)行的多次核聚變?cè)囼?yàn)中，取得的最好成績(jī)是產(chǎn)出與投入能量比70%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，從樂(lè)觀的角度來(lái)看，本次LLNL核聚變反應(yīng)釋放了大約3.15MJ的能量，比進(jìn)入反應(yīng)的能量多大約54%，是之前1.3MJ記錄的兩倍多。盡管如此，NIF在試驗(yàn)過(guò)程中消耗了322MJ的能量，是本次核聚變反應(yīng)釋放能量的102倍。

目前，全球最大“人造太陽(yáng)”國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），采用的是上文提及的托卡馬克裝置。ITER是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，也是中國(guó)以平等身份參加的最大國(guó)際科技合作項(xiàng)目。2006年，中國(guó)、歐盟、美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)和印度共同簽署了國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）項(xiàng)目啟動(dòng)協(xié)定。在今年11月，中國(guó)負(fù)責(zé)的其中一個(gè)關(guān)鍵組成部分，增強(qiáng)熱負(fù)荷第一壁首件制造完工。

ITER項(xiàng)目主建筑（圖源：ITER官網(wǎng)）

據(jù)悉，中國(guó)核能發(fā)展實(shí)施的是“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略，在磁約束和慣性約束聚變上均有研究。目前，中國(guó)磁約束核聚變技術(shù)的研究上已處于世界前列。

2021年12月我國(guó)合肥東方超環(huán)實(shí)現(xiàn)了1056秒長(zhǎng)脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，是之前保持記錄的2倍還多；今年10月，中國(guó)新一代“人造太陽(yáng)”HL-2M等離子體電流突破100萬(wàn)安培，創(chuàng)造了中國(guó)可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄，標(biāo)志著中國(guó)核聚變研發(fā)距離聚變點(diǎn)火邁進(jìn)了重要一步。

一場(chǎng)核聚變的“明修棧道，暗度陳倉(cāng)”？

在為技術(shù)突破興奮之外，我們不得不對(duì)核領(lǐng)域保持清醒的警惕。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)真正的用意，我國(guó)科學(xué)家給出了更謹(jǐn)慎的解答。中國(guó)工程院院士杜祥琬在接受鳳凰網(wǎng)采訪時(shí)表示，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)的凈能量增益是科研上的進(jìn)展，但離產(chǎn)生上百倍的高增益目標(biāo)還差得很遠(yuǎn)，更不說(shuō)提變成真正清潔、無(wú)限能量的“人造太陽(yáng)”。LLNL的核聚變?cè)鲆鎸儆诰圩兾锢矸懂牐惶赡転槿祟惸茉磫?wèn)題提供解決思路。人們真正用于能源的核聚變，是一種非爆炸性的可控的核聚變。

更為鮮明的是，杜祥琬院士認(rèn)為，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置實(shí)驗(yàn)?zāi)康模皇墙o人類提供能源解決思路，而是核武器研究。這就不得不提到美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置的建設(shè)背景，該裝置由美國(guó)能源部下屬管理核武器的國(guó)家核安全局負(fù)責(zé)運(yùn)行，其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)能產(chǎn)生高能量的聚變反應(yīng)，并為美國(guó)核武器儲(chǔ)備的維護(hù)提供指導(dǎo)。

武漢大學(xué)水利水電學(xué)院副教授徐明毅也曾在今年8月發(fā)表的一篇論文中提到，出于國(guó)防和戰(zhàn)略安全考慮，美國(guó)、中國(guó)、歐盟、英、日等國(guó)家和地區(qū)都在開(kāi)展相關(guān)研究，這其中包括美國(guó)的NIF、中國(guó)在運(yùn)行的最大激光聚變驅(qū)動(dòng)器神光III等。

但無(wú)論是哪條技術(shù)路線，核聚變商業(yè)化廣泛應(yīng)用，將”人造太陽(yáng)“變成現(xiàn)實(shí)都預(yù)計(jì)仍需要很長(zhǎng)時(shí)間。LLNL主任基姆·布迪勒也不得不承認(rèn)，實(shí)現(xiàn)核聚變商業(yè)化可能需要數(shù)十年，核聚變技術(shù)還需克服諸多障礙，包括實(shí)現(xiàn)每分鐘完成多次聚變點(diǎn)火，并擁有穩(wěn)健的驅(qū)動(dòng)程序系統(tǒng)等。在發(fā)布會(huì)當(dāng)天，布迪勒也明確表示：“我們的計(jì)算表明，激光系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)數(shù)百兆焦耳的產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的目標(biāo)是有途徑的，但我們現(xiàn)在離實(shí)現(xiàn)那個(gè)目標(biāo)還很遠(yuǎn)。”

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