談及核聚變成功，人們聽得最多的就是“還有50年”。2022年年末，一則來自美國的消息再度引發(fā)人們對這一技術(shù)的興趣。2022年12月13日，美國能源部、美國國家核安全管理局、勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會，宣布“國家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施”(NIF)在2022年12月5日的一次實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了聚變能量超過輸入能量。

(資料圖片)

美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室“國家點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)設(shè)施”內(nèi)部。

據(jù)悉，該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中利用激光發(fā)射器輸出了2.05兆焦耳能量，引發(fā)的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生了3.15兆焦耳的能量，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。

消息一出，互聯(lián)網(wǎng)上就出現(xiàn)各種聲音，準(zhǔn)備“下?！睋平鹫哂兄?，某投資人甚至聲稱，核聚變發(fā)電馬上就來了;馬上聯(lián)想到政治者有之，有觀點(diǎn)認(rèn)為，這是美國在敲打沙特——以后不需要石油了。

問題是，這一技術(shù)突破對核聚變發(fā)電的意義有多大?

《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》以“美實(shí)現(xiàn)‘核聚變突破’?噱頭大于現(xiàn)實(shí)”為題進(jìn)行報(bào)道。該文章認(rèn)為，新聞可能選擇性地夸大了氘作為核聚變?nèi)剂系膬?yōu)點(diǎn)，卻輕易地忽略了其他事實(shí)。

中國工程院院士杜祥琬對這一實(shí)驗(yàn)成果保持了更謹(jǐn)慎的看法。他表示，美國國家點(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)，更不用說變成真正清潔、無限能量的“人造太陽”。學(xué)界基于激光約束的核聚變試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了能量正增益，互聯(lián)網(wǎng)上有人對此激動不已，準(zhǔn)備“下?！睋平?。主流看法認(rèn)為，托卡馬克裝置的磁約束核聚變實(shí)現(xiàn)商用化更有希望，是真正走向聚變能的技術(shù)途徑。

有專家表示，LLNL的核聚變實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量只能燒開10壺水，而為了產(chǎn)生這些能量，NIF在整個(gè)過程中消耗了高達(dá)322兆焦耳的能量。據(jù)報(bào)道，NIF從1997年開工到2009年正式落成，總投入不低于35億美元。

激光約束路線一波三折

從原理上看，核聚變就是將兩種較輕的元素結(jié)合在一起，形成較重的元素的過程。簡而言之，這與太陽提供能量的方式相同，即氫原子的質(zhì)子以令人難以置信的高溫猛烈碰撞，融合在一起產(chǎn)生氦原子。

在地球上，核聚變是通過融合元素氘(重氫，D)和氚(超重氫，T)來實(shí)現(xiàn)的。氘的含量非常豐富，可以在水中找到，尤其是海洋中;而氚的含量較低，主要存在于大氣中，是宇宙輻射的結(jié)果。此外，氚也可以在核爆炸中產(chǎn)生，是核反應(yīng)的副產(chǎn)品。

太陽的巨大引力使它能夠聚變氫原子，但要在地球上創(chuàng)造聚變，科學(xué)家需要施加大約1億攝氏度的溫度和極高壓力，要比太陽核心溫度高約10倍。

多年來科學(xué)家一直在探索如何利用激光使氫原子發(fā)生核聚變，但過程并不順利，可謂一波三折。

1972年，美國物理學(xué)家Nuckolls首次在《自然》雜志發(fā)表了基于內(nèi)爆方式的激光聚變方案，又稱中心點(diǎn)火方案。這一年，被學(xué)術(shù)界稱之為激光聚變元年。

LLNL自1997年始，便以實(shí)現(xiàn)聚變能量輸出大于輸入的激光能量為目標(biāo)，建設(shè)了擁有192路、總能量約為2兆焦的NIF——采用間接驅(qū)動方案，192路激光從圓柱金質(zhì)黑腔的上下底面入射，輻照在黑腔內(nèi)壁上，產(chǎn)生空間均勻的X射線輻射場。X射線輻照在置于黑腔中心的氘、氚燃料靶丸外表面，產(chǎn)生燒蝕、壓縮、點(diǎn)火。

“隨著密度、溫度的增加，燃料中心區(qū)域壓強(qiáng)可以與太陽核心的壓強(qiáng)相當(dāng)，從而引發(fā)聚變反應(yīng)。當(dāng)聚變功率超過了能量損失功率時(shí)，形成可自持燃燒的熱斑，即為點(diǎn)火。當(dāng)燃燒波從熱斑向外擴(kuò)散時(shí)，點(diǎn)燃周圍燃料，實(shí)現(xiàn)凈能量增益?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)物理與天文學(xué)院長聘教軌副教授吳棟說。

據(jù)媒體報(bào)道，2021年8月8日，NIF采用了更大的靶丸尺寸與更小的激光入射孔徑，獲得了1.35兆焦的能量輸出，能量增益達(dá)到了0.7，相較于同年先前的實(shí)驗(yàn)發(fā)射能量產(chǎn)出增加了近十倍。當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)首次證明NIF已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了物理意義上的點(diǎn)火。如今，NIF又有了新的突破，2022年12月5日，實(shí)現(xiàn)了聚變能源意義上的凈能量增益。LLNL的主任金·巴迪爾說：“在實(shí)驗(yàn)室中所追求的聚變點(diǎn)火，是人類有史以來所應(yīng)對的最重要的科學(xué)挑戰(zhàn)之一，實(shí)現(xiàn)它是科學(xué)的勝利、工程的勝利，但最為重要的是人類的勝利。

”據(jù)《華爾街日報(bào)》報(bào)道，2022年12月1日，核聚變初創(chuàng)公司CommonwealthFusionSystems表示，已經(jīng)籌集到了超過18億美元的投資。這一數(shù)字，刷新了核聚變私人投資額的新紀(jì)錄。比爾·蓋茨、喬治·索羅斯、馬克·貝尼奧夫等一眾投資大佬，以及谷歌的母公司Alphabet、DFJGrowth等企業(yè)紛紛參與投資。

我國兩大技術(shù)路線均有布局

核聚變領(lǐng)域的主流技術(shù)主要包括磁約束和慣性約束(激光約束)兩大路線。我國在這兩條技術(shù)路線上都有布局。

在激光約束領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代，激光器一問世，科學(xué)家們就開展了激光核聚變的研究。當(dāng)時(shí)，蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫和中國科學(xué)家王淦昌分別獨(dú)立提出了用激光照射在聚變?nèi)剂习猩蠈?shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的構(gòu)想，開辟了實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)的新途徑——激光核聚變。

1974年，中國采用一路激光驅(qū)動聚氘乙烯靶發(fā)生核反應(yīng)，并觀察到氘氘反應(yīng)產(chǎn)生的中子。此外，著名理論物理學(xué)家于敏在20世紀(jì)70年代中期就提出了激光通過入射口、打進(jìn)重金屬外殼包圍的空腔、以X光輻射驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)激光核聚變的概念。1986年，中國激光核聚變實(shí)驗(yàn)裝置“神光”研制成功。

在磁約束領(lǐng)域，自1960年開始，中國以“托卡馬克”為主要研究途徑，基于此技術(shù)先后建成并運(yùn)行三大聚變反應(yīng)堆：華中科技大學(xué)的J-TEXT裝置、核工業(yè)西南物理研究院的HL-2M裝置和中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所素有“人造太陽”之稱的EAST全超導(dǎo)托卡馬克裝置(東方超環(huán))，向國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃提供結(jié)果。

20世紀(jì)80年代，中國制定了“三步走”——熱堆、快堆、聚變堆的核能發(fā)展戰(zhàn)略，隨后加入ITER計(jì)劃，進(jìn)一步推動中國聚變能源研究進(jìn)入國際陣營，為建成中國自己的核聚變反應(yīng)堆做準(zhǔn)備。

科技部中國國際核聚變能源計(jì)劃執(zhí)行中心副主任王敏曾表示，通過參加ITER計(jì)劃，中國無論是聚變技術(shù)，還是國際大科學(xué)工程管理都有了大幅度提升?？梢哉f，在參與ITER計(jì)劃的各方中，中國是進(jìn)步最快、加速度最大的一方。

2020年12月，中國新一代“人造太陽”裝置——中國環(huán)流器二號M裝置(HL-2M)在四川成都的核工業(yè)西南物理研究院正式建成并實(shí)現(xiàn)首次放電;2021年12月，中國“人造太陽”EAST成功實(shí)現(xiàn)1056秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，成為世界上托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)的最長時(shí)間高溫等離子體運(yùn)行，打破世界紀(jì)錄;2022年10月，中國宣布HL-2M裝置的等離子體電流突破100萬安培，創(chuàng)造可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄。

根據(jù)規(guī)劃，中國以現(xiàn)有中、大型托卡馬克裝置為依托，瞄準(zhǔn)國際核聚變前沿課題研究，在磁約束聚變領(lǐng)域建立了近期、中期和遠(yuǎn)期技術(shù)目標(biāo)。中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆的規(guī)劃是：到2050年，聚變工程實(shí)驗(yàn)堆實(shí)驗(yàn)成功，開始建設(shè)聚變商業(yè)示范堆。

商業(yè)化前景“還有50年”?

有專家認(rèn)為，前人積攢下的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)讓核聚變顯露商業(yè)化前景。

“最近的技術(shù)進(jìn)步意味著核聚變已經(jīng)不再是一個(gè)理論科學(xué)實(shí)驗(yàn)，開始慢慢展現(xiàn)出商業(yè)化的潛力。”突破能源基金的專家PhilLarochelle認(rèn)為，可控核聚變是人類獲取能量方式的一大改變，在人類歷史上，其重要性可能與掌握火種并駕齊驅(qū)。美國初創(chuàng)企業(yè)英聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官BobMumgaard則認(rèn)為，“時(shí)間，已經(jīng)將科學(xué)和工程推進(jìn)至人們能想象出未來核聚變發(fā)電站樣貌的地步。現(xiàn)在雖然距離(核聚變商業(yè)化)非常接近，但尚未到達(dá)?！?/p>

也有機(jī)構(gòu)人士對此持觀望態(tài)度?！按蟛糠置襟w關(guān)注的‘凈能量收益’的科研意義大于實(shí)際，甚至有點(diǎn)炒作的嫌疑，所謂的核聚變發(fā)電還遙不可及?！焙ｃy資本合伙人王煜全說，這次實(shí)驗(yàn)并沒有技術(shù)上的突破，實(shí)驗(yàn)成果的科研意義比較大，產(chǎn)業(yè)價(jià)值暫時(shí)可以忽略不計(jì)?！敖裉斓某晒俜糯?00倍才有應(yīng)用潛力，至于產(chǎn)業(yè)化的價(jià)值則更微小;如果規(guī)模發(fā)電的前提是規(guī)模耗電，是難以產(chǎn)業(yè)化的”。

近年來，隨著硬科技投資趨勢熱潮來臨，以及業(yè)界對新能源的高度重視，一批商業(yè)資本、風(fēng)險(xiǎn)投資開始涌入核聚變能源的創(chuàng)業(yè)公司。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，谷歌、高盛、蓋茨基金會、紅杉中國、藍(lán)馳創(chuàng)投、中科創(chuàng)星、順為資本、和玉資本、險(xiǎn)峰長青、聯(lián)想之星等國內(nèi)外機(jī)構(gòu)都已經(jīng)在這一領(lǐng)域布局。2022年2月，成立于2021年的能量奇點(diǎn)宣布完成近4億元人民幣的首輪融資，米哈游和蔚來資本領(lǐng)投，紅杉中國種子基金和藍(lán)馳創(chuàng)投跟投。該公司計(jì)劃，融資主要用于研發(fā)和建設(shè)基于全高溫超導(dǎo)材料的小型托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，以及研發(fā)可用于下一代高性能聚變裝置的先進(jìn)磁體系統(tǒng)。

2022年6月，陜西星環(huán)聚能科技有限公司正式對外宣布，完成數(shù)億元天使輪融資，用于可控聚變能開發(fā)。順為資本、中科創(chuàng)星、昆侖資本等十多家機(jī)構(gòu)參與投資。陜西星環(huán)聚能科技有限公司成立于2021年，獲得本輪融資后，將在陜西省西咸新區(qū)建設(shè)球形托卡馬克聚變裝置。

事實(shí)上，在主流技術(shù)之外，還有一個(gè)用超聲波觸發(fā)核聚變的技術(shù)路線。2003年，美國科學(xué)家泰斯恩創(chuàng)建“脈沖裝置公司”，雇傭“聲致冷光”的研究人員開發(fā)直徑為6米的超聲聚變反應(yīng)堆。但近年來鮮見報(bào)道。

無論是哪條技術(shù)路線，從實(shí)驗(yàn)成功走向未來的商業(yè)化，預(yù)計(jì)都需要很長時(shí)間，仍難以打破“還有50年”魔咒。但來自美國舊金山的一只蝴蝶已經(jīng)在扇動翅膀，也許正有一陣龍卷風(fēng)將要席卷古老的化石能源叢林，值得拭目以待。