核聚變技術(shù)取得“歷史性突破”！核聚變發(fā)電，距離現(xiàn)實(shí)還有多遠(yuǎn)？還有哪些挑戰(zhàn)？

每經(jīng)記者 李孟林    每經(jīng)編輯 高涵    

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月13日，美國(guó)能源部宣布，美國(guó)科研人員在研究核聚變能源方面取得重大突破。據(jù)路透社援引消息人士稱，位于加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科研人員在一次使用激光的核聚變實(shí)驗(yàn)中，首次實(shí)現(xiàn)了凈能量增益。

自1958年科學(xué)家向世界公布核聚變研究以來(lái)，人類孜孜不倦地希望通過(guò)在地球上復(fù)制核聚變的過(guò)程，來(lái)獲得幾乎無(wú)限的清潔、安全和廉價(jià)的能源。而在此之前，科學(xué)家遲遲未能攻克第一道攔路虎：如何讓核聚變產(chǎn)出的能量大于觸發(fā)反應(yīng)所投入的能量。

因此，在美國(guó)能源部證實(shí)美國(guó)科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核聚變產(chǎn)出大于投入的“凈能量增益”后，立刻引發(fā)了科學(xué)界的轟動(dòng)。在世界正面臨化石能源導(dǎo)致的氣候危機(jī)之下，坊間更有樂(lè)觀的議論認(rèn)為，一勞永逸地解決能源問(wèn)題已經(jīng)出現(xiàn)曙光。據(jù)美國(guó)能源部，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

科學(xué)家指出，此次實(shí)現(xiàn)的凈能量增益是數(shù)十年來(lái)最重要的科學(xué)成果之一，是對(duì)核聚變?cè)淼母拍铗?yàn)證，但人類離用上核聚變能還有很長(zhǎng)的路要走，能量增益的規(guī)模還需要大幅提高才能考慮轉(zhuǎn)化為電力的事情。

英國(guó)核聚變公司First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker在采訪中對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)各國(guó)的能源轉(zhuǎn)型政策短期內(nèi)并無(wú)影響，核聚變并不是解決氣候變化的靈丹妙藥，但可以在未來(lái)的清潔能源結(jié)構(gòu)中，扮演維持基本負(fù)載電力的重要角色。

核聚變技術(shù)的“歷史性突破”？業(yè)內(nèi)人士：核心物理學(xué)原理已被攻克

當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月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，首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了凈能量增益。據(jù)悉，實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

“這是過(guò)去二三十年來(lái)最大的科學(xué)成果之一，” 貝爾法斯特女王大學(xué)研究激光和等離子物理學(xué)的Gianluca Sarri表示。

要理解這項(xiàng)成就的重要性，就得知道實(shí)現(xiàn)增益的難度。據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)，核聚變是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核并釋放出巨大能量的過(guò)程，這一過(guò)程發(fā)生在一種叫作等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中。在地球上，人類需要超過(guò)1億攝氏度的溫度和強(qiáng)大的壓力，才能促成氘（重氫）和氚（超重氫）的混合物發(fā)生核聚變，而且還需要將等離子體和聚變反應(yīng)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，才能獲得凈能量增益。

圖片來(lái)源：國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)

LLNL實(shí)驗(yàn)室采用了一種名為慣性約束聚變的路徑。在發(fā)布會(huì)上，美國(guó)國(guó)家核安全局官員Marv Adams用簡(jiǎn)單的語(yǔ)言解釋了該實(shí)驗(yàn)室“國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施”的實(shí)驗(yàn)過(guò)程：規(guī)模相當(dāng)于三個(gè)足球場(chǎng)的192個(gè)激光器組合，從兩端向一個(gè)圓柱體發(fā)射激光束，將能量注入，而圓柱體中一個(gè)僅有半個(gè)氣槍BB彈大小的靶丸受到擠壓，球內(nèi)的氘氚聚變?nèi)剂媳?ldquo;點(diǎn)燃”，產(chǎn)生出能量。整個(gè)聚變過(guò)程發(fā)生速度極快，比光運(yùn)動(dòng)一英尺（2.54厘米）的時(shí)間還快。

國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施實(shí)驗(yàn)過(guò)程 圖片來(lái)源：美國(guó)能源部

國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施此前已經(jīng)多次重復(fù)了這一過(guò)程，最好的成績(jī)是產(chǎn)出和投入能量比為70%，仍然是凈能量損失。這一次的不同之處在于，聚變?nèi)剂系某邷?、能量密度和維持的時(shí)間都達(dá)到了臨界標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)成了點(diǎn)燃的效果，產(chǎn)生出了更多的能量。

“這一結(jié)果是慣性約束聚變作為發(fā)電技術(shù)的分水嶺時(shí)刻。長(zhǎng)期以來(lái)，（激光沖擊的）目標(biāo)產(chǎn)生能量增益就是衡量成功的標(biāo)準(zhǔn)，它意味著核心的物理學(xué)原理已經(jīng)被攻克，”英國(guó)核聚變公司First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，“從這一結(jié)果到發(fā)電的物理學(xué)路徑是非常清楚的，而且風(fēng)險(xiǎn)大大降低了。”

核聚變作為能源來(lái)源的優(yōu)點(diǎn)十分突出。首先是極大的能量密度。據(jù)國(guó)際原子機(jī)構(gòu)，核聚變產(chǎn)生的能量是核裂變（目前使用的核電技術(shù)）的四倍，理論上，只需要幾克氘氚反應(yīng)物，就有可能產(chǎn)生一萬(wàn)億焦耳的能量，這大約是發(fā)達(dá)國(guó)家的一個(gè)人在60年內(nèi)所需要的能量。其次，和核裂變一樣，核聚變不會(huì)向大氣中排放二氧化碳或其他溫室氣體。

First Light Fusion的首席財(cái)務(wù)官David Byron對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，作為能源生產(chǎn)方式，核聚變擁有核裂變的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能避免后者的很多缺點(diǎn)。

“核聚變不會(huì)存在核反應(yīng)堆融毀的情況，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就很安全。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，核裂變反應(yīng)堆的功能是控制能量釋放的速度，避免其失控；核聚變則相反，它需要?jiǎng)?chuàng)造聚變發(fā)生的條件，假如停止投入聚變?nèi)剂?，或者沒(méi)有合適的高溫條件，聚變反應(yīng)自己就停止了，”David Byron解釋道。

此外，核聚變過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)制造武器級(jí)別的材料。對(duì)于很多沒(méi)有核武器的國(guó)家而言，由于核裂變技術(shù)的出口管制，他們無(wú)法發(fā)展核能，但核聚變就不存在這個(gè)問(wèn)題。核聚變也不會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的放射性核廢料，不需要花幾代人來(lái)清理。“因此核聚變技術(shù)有望幫助更多國(guó)家擺脫貧困，” David Byron補(bǔ)充道。

人類距離用上核聚變能源還有多遠(yuǎn)？

如果人類有一天能大規(guī)模應(yīng)用核聚變作為能源，無(wú)疑意味著地球能源結(jié)構(gòu)翻天覆地的重構(gòu)。此次核聚變實(shí)現(xiàn)凈能量增益，讓我們離這一天還有多遠(yuǎn)呢？科學(xué)界認(rèn)為，要用上核聚變能，需要經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室點(diǎn)火和燃燒、聚變發(fā)電演示和商用發(fā)電三個(gè)階段，目前我們還處于第一階段，而且還有很多挑戰(zhàn)尚未解決。

“在協(xié)同的努力和投資之下，對(duì)底層技術(shù)再進(jìn)行數(shù)十年的研究，我們或許可以開(kāi)始建造（核聚變）發(fā)電廠，” LLNL實(shí)驗(yàn)室的主任Kim Budil在發(fā)布會(huì)上預(yù)測(cè)，“還存在很多科學(xué)和技術(shù)上的重大挑戰(zhàn)。這次只是一次性點(diǎn)燃一個(gè)靶丸，要實(shí)現(xiàn)商用聚變能，需要達(dá)成每分鐘非常非常多次的聚變點(diǎn)燃，而且還需要強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。”

牛津大學(xué)物理學(xué)教授、LLNL實(shí)驗(yàn)室核聚變項(xiàng)目的咨詢專家Justin Wark對(duì)科學(xué)傳播組織SMC表示，LLNL實(shí)驗(yàn)室理論上可以每天重復(fù)一次類似的點(diǎn)燃成果，但核聚變電廠需要的是每秒鐘十次。

另一方面，凈增益能量也需要大幅提高。劍橋大學(xué)核能講師Tony Roulstone對(duì)SMC表示，根據(jù)《金融時(shí)報(bào)》當(dāng)時(shí)報(bào)道的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室為產(chǎn)生激光而投入了500兆焦的能源，最終輸送到靶丸上的能源才1.8兆焦，雖然最后實(shí)現(xiàn)了凈能量增益（2.5兆焦），但從整個(gè)過(guò)程來(lái)看，實(shí)際上產(chǎn)出只占投入的0.5%。從工程學(xué)的角度而言，最終需要產(chǎn)出的能量為投入激光組能量的兩倍才算達(dá)到目標(biāo)，因?yàn)閺木圩儫崮苻D(zhuǎn)化為電力的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生能量損失。

“因此可以說(shuō)，國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一項(xiàng)科學(xué)上的成功，但離提供可用的、充足的清潔能源還有很長(zhǎng)一段路要走，” Tony Roulstone表示。

假如核聚變還需要數(shù)十年才能投入應(yīng)用，那么它對(duì)于應(yīng)對(duì)迫在眉睫的氣候變化可能無(wú)法發(fā)揮重要作用。

科學(xué)倡導(dǎo)組織憂思科學(xué)家聯(lián)盟（Union of Concerned Scientists）的核能安全主管Ed Lyman對(duì)政治新聞網(wǎng)Politico表示：“不是說(shuō)要貶低他們的成就，但還是得謹(jǐn)慎看待。（核聚變）對(duì)于實(shí)現(xiàn)脫碳而言晚得不是一點(diǎn)點(diǎn)。我們需要在接下來(lái)的一二十年努力脫碳，而就算根據(jù)最樂(lè)觀的預(yù)估，核聚變能也要2040年代才能出現(xiàn)。”

First Light Fusion毫無(wú)疑問(wèn)屬于樂(lè)觀派。首席財(cái)務(wù)官David Byron對(duì)《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者表示，公司預(yù)計(jì)在2030年代早期到中期，就可以修建并入電網(wǎng)的核聚變電站試點(diǎn)項(xiàng)目，也就是說(shuō)還有十年的時(shí)間。

這一時(shí)間節(jié)點(diǎn)也是很多核聚變產(chǎn)業(yè)人士的預(yù)測(cè)，不過(guò)核聚變的布局時(shí)間線并不可靠。早在2012年，國(guó)家點(diǎn)火設(shè)施的主管曾預(yù)測(cè)十年內(nèi)聚變技術(shù)就能達(dá)到商業(yè)可行性，但現(xiàn)在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)已經(jīng)差不多過(guò)去了。

First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker對(duì)每經(jīng)記者坦承，對(duì)于能源領(lǐng)域而言，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生直接的影響，必須繼續(xù)投入風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源。“這不是解決氣候變化的靈丹妙藥，但是我們需要清潔的基本負(fù)載電力，這是核聚變發(fā)揮作用的地方，” Nick Hawker表示。

David Byron補(bǔ)充解釋說(shuō)，我們需要盡可能多的風(fēng)能和太陽(yáng)能，但由于選址和土地使用等因素限制，可再生能源無(wú)法完全滿足人類的需求。此外，受自然條件影響，可再生能源還有間歇性的問(wèn)題，因此人類需要能24小時(shí)持續(xù)滿足電網(wǎng)系統(tǒng)最低電力需求（基本負(fù)載電力）的發(fā)電廠，這就是核能（包括裂變和聚變）發(fā)揮作用的地方。由于核聚變安全性更好，監(jiān)管批準(zhǔn)的負(fù)擔(dān)比核裂變發(fā)電廠要小很多，因此未來(lái)將發(fā)揮重要作用。

封面圖片來(lái)源：美國(guó)能源部