每經記者｜李孟林    每經編輯｜高涵    

當地時間12月13日，美國能源部宣布，美國科研(yan)人員在研(yan)究(jiu)核聚(ju)變能源方面取得重大突破。據(ju)路透(tou)社援(yuan)引消息人(ren)士(shi)稱，位于(yu)加利福尼亞州(zhou)的(de)勞倫斯(si)·利弗莫(mo)爾國家實驗室（LLNL）的(de)科(ke)研人(ren)員在一次使用激光的(de)核(he)聚變(bian)實驗中，首次實現(xian)了(le)凈(jing)能量增(zeng)益。

自1958年科學家向世界公布核聚變研究以來，人類孜孜不倦地希望通過在地球上復制核聚(ju)變的(de)過程，來獲得幾乎無限的(de)清潔(jie)、安(an)全和廉價的(de)能源。而在此(ci)之前，科學家遲遲未能攻克(ke)第一(yi)道(dao)攔路虎：如何讓核(he)聚變(bian)產出(chu)的能量大(da)于(yu)觸發(fa)反(fan)應所投入的能量。

因此(ci)，在美(mei)國能(neng)(neng)源(yuan)部(bu)證實(shi)(shi)美(mei)國科(ke)學(xue)家已經實(shi)(shi)現(xian)了(le)核聚變產(chan)出大(da)于投入的“凈能(neng)(neng)量增益”后，立(li)刻(ke)引(yin)發了(le)科(ke)學(xue)界(jie)的轟動。在世(shi)界(jie)正面臨化石能(neng)(neng)源(yuan)導(dao)致(zhi)的氣候危機之下，坊間更有樂觀的議論認為(wei)，一勞(lao)永逸地解決能(neng)(neng)源(yuan)問題已經出現(xian)曙光。據(ju)美(mei)國能(neng)(neng)源(yuan)部(bu)，實(shi)(shi)驗(yan)產(chan)生(sheng)的能(neng)(neng)量比投入的能(neng)(neng)量多50%以(yi)上。

科(ke)學家指(zhi)出，此次實現的(de)凈(jing)能量增益(yi)是數十年來最重要(yao)的(de)科(ke)學成果之一(yi)，是對核(he)聚變(bian)原理的(de)概念驗證，但人類離(li)用上核(he)聚變(bian)能還有很長的(de)路要(yao)走，能量增益(yi)的(de)規模還需要(yao)大幅提(ti)高(gao)才能考慮轉化為電力(li)的(de)事情。

英國核(he)聚變(bian)公司First Light Fusion創(chuang)始人Nick Hawker在采訪中對《每日經濟新聞》記者表示，這次實驗結果對各(ge)國的(de)能(neng)源轉型政策短期內并無影響(xiang)，核(he)聚變(bian)并不是(shi)解決氣候(hou)變(bian)化的(de)靈丹妙(miao)藥，但可以在未來的(de)清潔能(neng)源結構(gou)中，扮(ban)演維持基本負載電(dian)力的(de)重(zhong)要角(jiao)色。

核聚變技術的“歷史性突破”？業內人士：核心物理學原理已被攻克

當地(di)時間12月(yue)13日，美國(guo)能(neng)源部官(guan)員(yuan)宣布，由(you)美國(guo)政府(fu)資助(zhu)的(de)(de)加(jia)州勞倫斯·利弗莫爾國(guo)家實(shi)(shi)驗(yan)室(shi)，首次成功在(zai)核聚變反應中實(shi)(shi)現了(le)(le)凈(jing)能(neng)量增益。據(ju)悉，實(shi)(shi)驗(yan)向目(mu)標輸入了(le)(le)2.05兆焦(jiao)耳的(de)(de)能(neng)量，產生(sheng)了(le)(le)3.15兆焦(jiao)耳的(de)(de)聚變能(neng)量輸出，產生(sheng)的(de)(de)能(neng)量比投入的(de)(de)能(neng)量多50%以上。

“這是(shi)過去(qu)二三(san)十年來(lai)最大的科學(xue)成果之(zhi)一，” 貝(bei)爾(er)法斯特女(nv)王(wang)大學(xue)研究(jiu)激光和等離(li)子物理學(xue)的Gianluca Sarri表示。

要理解這(zhe)項成就的(de)重(zhong)要性(xing)，就得(de)知道實(shi)現增益(yi)的(de)難度(du)。據國(guo)際原(yuan)(yuan)子能(neng)(neng)機構(gou)，核(he)(he)聚(ju)(ju)變是兩個(ge)輕原(yuan)(yuan)子核(he)(he)結合成一個(ge)較重(zhong)的(de)原(yuan)(yuan)子核(he)(he)并(bing)釋放(fang)出巨大(da)能(neng)(neng)量的(de)過程，這(zhe)一過程發(fa)生在一種叫(jiao)作等(deng)離(li)子體的(de)物質狀態中。在地(di)球(qiu)上，人類需(xu)要超過1億攝(she)氏度(du)的(de)溫度(du)和強大(da)的(de)壓力，才能(neng)(neng)促成氘（重(zhong)氫(qing)）和氚（超重(zhong)氫(qing)）的(de)混合物發(fa)生核(he)(he)聚(ju)(ju)變，而且還需(xu)要將(jiang)等(deng)離(li)子體和聚(ju)(ju)變反應保持足夠長的(de)時間，才能(neng)(neng)獲得(de)凈能(neng)(neng)量增益(yi)。

圖片(pian)來源：國際原子能機構

LLNL實(shi)驗(yan)室采用(yong)了(le)一(yi)(yi)種名為慣性約(yue)束(shu)聚(ju)變的(de)路徑。在發(fa)布會上，美國(guo)國(guo)家(jia)核安全(quan)局官員Marv Adams用(yong)簡單的(de)語(yu)言解釋了(le)該實(shi)驗(yan)室“國(guo)家(jia)點(dian)火設施”的(de)實(shi)驗(yan)過程：規模相當于三個足球(qiu)場的(de)192個激光(guang)器組(zu)合(he)，從兩端向一(yi)(yi)個圓柱(zhu)體發(fa)射激光(guang)束(shu)，將能量(liang)(liang)注入，而圓柱(zhu)體中(zhong)一(yi)(yi)個僅有(you)半個氣(qi)槍BB彈(dan)大小的(de)靶丸受到(dao)擠壓，球(qiu)內的(de)氘氚聚(ju)變燃料被“點(dian)燃”，產生(sheng)出能量(liang)(liang)。整(zheng)個聚(ju)變過程發(fa)生(sheng)速(su)度極快(kuai)，比光(guang)運動一(yi)(yi)英尺（2.54厘米）的(de)時間還快(kuai)。

國家點火設施實驗過程 圖(tu)片(pian)來(lai)源：美國能源部

國家點火設施此前已經多次重復了(le)這(zhe)一(yi)過程，最好(hao)的(de)成績是產出和投(tou)入能(neng)量比為70%，仍(reng)然是凈能(neng)量損失。這(zhe)一(yi)次的(de)不同之處在于，聚(ju)變燃料的(de)超高溫、能(neng)量密度和維持(chi)的(de)時(shi)間(jian)都達到了(le)臨界標準，最終達成了(le)點燃的(de)效果(guo)，產生出了(le)更(geng)多的(de)能(neng)量。

“這(zhe)一(yi)結果是(shi)(shi)慣性約(yue)束聚變(bian)作為發(fa)電(dian)技術的(de)(de)(de)分水嶺時刻(ke)。長期以來(lai)，（激光沖擊的(de)(de)(de)）目標產生能量(liang)增(zeng)益就(jiu)是(shi)(shi)衡量(liang)成功的(de)(de)(de)標準，它(ta)意(yi)味著(zhu)核心的(de)(de)(de)物(wu)理(li)(li)學(xue)原(yuan)理(li)(li)已經被攻克，”英國核聚變(bian)公司First Light Fusion創始人Nick Hawker對《每日經濟新聞》記者表(biao)示，“從這(zhe)一(yi)結果到(dao)發(fa)電(dian)的(de)(de)(de)物(wu)理(li)(li)學(xue)路(lu)徑(jing)是(shi)(shi)非常清楚的(de)(de)(de)，而且(qie)風險大大降低了。”

核(he)聚變(bian)作為能(neng)(neng)源來源的(de)優點(dian)十分突出。首先是極大(da)的(de)能(neng)(neng)量密度。據國際原子機構(gou)，核(he)聚變(bian)產(chan)生(sheng)的(de)能(neng)(neng)量是核(he)裂(lie)變(bian)（目前使(shi)用的(de)核(he)電技術）的(de)四倍，理(li)論上(shang)，只需要幾克氘氚反應物，就有可能(neng)(neng)產(chan)生(sheng)一萬億焦耳的(de)能(neng)(neng)量，這大(da)約(yue)是發達(da)國家的(de)一個人在60年(nian)內所需要的(de)能(neng)(neng)量。其次，和核(he)裂(lie)變(bian)一樣(yang)，核(he)聚變(bian)不會向大(da)氣(qi)中排放二氧化碳或其他溫室(shi)氣(qi)體。

First Light Fusion的(de)首席財務官David Byron對《每(mei)日經濟(ji)新聞》記者表示，作為(wei)能源(yuan)生產方式，核(he)聚變擁有核(he)裂變的(de)所(suo)有優點，同(tong)時又能避免后者的(de)很多缺點。

“核聚(ju)變(bian)不會存在核反(fan)(fan)應堆(dui)融(rong)毀的(de)情況，從本質上來(lai)說就很安全。簡(jian)單(dan)來(lai)說，核裂變(bian)反(fan)(fan)應堆(dui)的(de)功(gong)能是控(kong)制能量釋(shi)放的(de)速度(du)，避免其失控(kong)；核聚(ju)變(bian)則相(xiang)反(fan)(fan)，它需要(yao)創造聚(ju)變(bian)發生的(de)條件，假如停(ting)止投入(ru)聚(ju)變(bian)燃(ran)料，或者沒有合適的(de)高溫條件，聚(ju)變(bian)反(fan)(fan)應自己就停(ting)止了，”David Byron解釋(shi)道(dao)。

此(ci)外，核(he)(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)過程中(zhong)不(bu)會出現(xian)制(zhi)造(zao)武(wu)器級別的(de)材料(liao)。對(dui)于很多沒有核(he)(he)(he)(he)武(wu)器的(de)國家而言，由(you)于核(he)(he)(he)(he)裂變(bian)(bian)技(ji)術(shu)的(de)出口管(guan)制(zhi)，他們(men)無法(fa)發展核(he)(he)(he)(he)能，但核(he)(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)就不(bu)存在這個問題。核(he)(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)也不(bu)會產生長時間的(de)放射性核(he)(he)(he)(he)廢料(liao)，不(bu)需要花(hua)幾代人來清(qing)理。“因此(ci)核(he)(he)(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)技(ji)術(shu)有望幫助更多國家擺脫貧困，” David Byron補充(chong)道。

人類距離用上核聚變能源還有多遠？

如果(guo)人類有一天(tian)(tian)能大規模(mo)應用(yong)核(he)(he)聚變作為能源，無疑意味著地(di)球能源結構(gou)翻天(tian)(tian)覆(fu)地(di)的重構(gou)。此次(ci)核(he)(he)聚變實現(xian)凈能量增益，讓我們離這一天(tian)(tian)還有多遠呢？科學界認為，要用(yong)上(shang)核(he)(he)聚變能，需要經歷實驗室點火和燃燒、聚變發(fa)電(dian)(dian)演(yan)示和商用(yong)發(fa)電(dian)(dian)三個階段(duan)，目前我們還處(chu)于第一階段(duan)，而(er)且(qie)還有很多挑戰尚未解決(jue)。

“在(zai)協同的努力和(he)投(tou)資之下，對底層(ceng)技術(shu)再進行數十年(nian)的研(yan)究，我們或許可以開始建(jian)造（核聚變(bian)）發(fa)電廠，” LLNL實(shi)驗室的主任(ren)Kim Budil在(zai)發(fa)布會(hui)上預測，“還存在(zai)很多科學(xue)和(he)技術(shu)上的重大(da)挑戰。這(zhe)次只是一次性點(dian)燃(ran)一個靶丸，要(yao)實(shi)現(xian)商(shang)用聚變(bian)能(neng)，需要(yao)達成每分鐘(zhong)非(fei)常(chang)非(fei)常(chang)多次的聚變(bian)點(dian)燃(ran)，而且還需要(yao)強大(da)的驅動(dong)系統才能(neng)實(shi)現(xian)。”

牛津大學物理學教授(shou)、LLNL實驗(yan)室核(he)聚變項目的(de)(de)咨詢專家(jia)Justin Wark對科學傳播組織(zhi)SMC表示，LLNL實驗(yan)室理論上可以(yi)每天重復一(yi)次類似的(de)(de)點(dian)燃成果(guo)，但核(he)聚變電(dian)廠(chang)需要的(de)(de)是每秒鐘十次。

另一方(fang)面(mian)，凈增(zeng)益能(neng)(neng)(neng)量(liang)也(ye)需要大幅提高。劍橋大學(xue)核能(neng)(neng)(neng)講師Tony Roulstone對SMC表示(shi)，根據(ju)《金融時報(bao)》當(dang)時報(bao)道(dao)的數據(ju)，實(shi)(shi)驗室為產(chan)生(sheng)激(ji)光(guang)(guang)而(er)投(tou)入了500兆焦(jiao)的能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)，最(zui)終輸(shu)送到靶丸上(shang)的能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)才1.8兆焦(jiao)，雖然最(zui)后實(shi)(shi)現了凈能(neng)(neng)(neng)量(liang)增(zeng)益（2.5兆焦(jiao)），但從(cong)整個過程來看，實(shi)(shi)際上(shang)產(chan)出(chu)只占投(tou)入的0.5%。從(cong)工程學(xue)的角度而(er)言，最(zui)終需要產(chan)出(chu)的能(neng)(neng)(neng)量(liang)為投(tou)入激(ji)光(guang)(guang)組能(neng)(neng)(neng)量(liang)的兩倍(bei)才算達到目標，因為從(cong)聚變熱能(neng)(neng)(neng)轉化為電(dian)力(li)的過程中還會產(chan)生(sheng)能(neng)(neng)(neng)量(liang)損失。

“因(yin)此可以說(shuo)，國(guo)家點火設施的實驗結果是一項科學(xue)上的成功，但(dan)離提(ti)供可用的、充足的清潔能源還(huan)有很長(chang)一段路要走，” Tony Roulstone表(biao)示。

假如核(he)聚變還需要數十年才能投入應用，那么它對(dui)于應對(dui)迫在(zai)眉睫的氣候變化可(ke)能無法發(fa)揮重要作用。

科(ke)學(xue)倡導(dao)組織憂思(si)科(ke)學(xue)家聯盟（Union of Concerned Scientists）的(de)核(he)能安(an)全(quan)主管Ed Lyman對政治(zhi)新聞網Politico表示：“不(bu)是(shi)說要(yao)(yao)貶低他們(men)的(de)成就，但還是(shi)得(de)謹(jin)慎看待(dai)。（核(he)聚變）對于實現脫碳而言晚得(de)不(bu)是(shi)一(yi)(yi)點點。我們(men)需要(yao)(yao)在(zai)接(jie)下來的(de)一(yi)(yi)二十年努力脫碳，而就算根據最樂觀(guan)的(de)預估，核(he)聚變能也要(yao)(yao)2040年代才能出現。”

First Light Fusion毫(hao)無疑問屬于樂觀派。首席財務官David Byron對《每日經濟新(xin)聞》記者(zhe)表示，公司(si)預計(ji)在2030年(nian)代早期到中期，就可以修(xiu)建(jian)并入電(dian)網的(de)核聚變電(dian)站(zhan)試點項目，也(ye)就是說還有十(shi)年(nian)的(de)時間。

這(zhe)一時(shi)(shi)間節點(dian)也是(shi)很(hen)多(duo)核(he)聚(ju)變產業(ye)人士的預測，不(bu)過核(he)聚(ju)變的布局時(shi)(shi)間線并(bing)不(bu)可靠(kao)。早在(zai)2012年，國家點(dian)火設施的主(zhu)管曾預測十年內聚(ju)變技術就能達到商業(ye)可行性，但現(xian)在(zai)這(zhe)個時(shi)(shi)間點(dian)已經差不(bu)多(duo)過去了。

First Light Fusion創始人Nick Hawker對(dui)每經記(ji)者坦承，對(dui)于能源領域而言，本次實驗結果不(bu)(bu)會產生直接的(de)影(ying)響，必須繼續(xu)投入(ru)風能、太陽能等可再生能源。“這(zhe)不(bu)(bu)是解(jie)決氣候(hou)變化的(de)靈丹妙藥(yao)，但是我們需要(yao)清潔的(de)基本負(fu)載電力，這(zhe)是核(he)聚變發揮作用(yong)的(de)地方，” Nick Hawker表示。

David Byron補充解釋說，我們需要盡可(ke)能(neng)多(duo)的(de)(de)風能(neng)和太陽能(neng)，但由于(yu)選址和土地(di)(di)使用(yong)等因素限制，可(ke)再生能(neng)源無法完全滿足(zu)人類(lei)(lei)的(de)(de)需求(qiu)。此外，受(shou)自然條件影(ying)響，可(ke)再生能(neng)源還有間歇性的(de)(de)問題，因此人類(lei)(lei)需要能(neng)24小時持續滿足(zu)電(dian)網系統最低電(dian)力需求(qiu)（基本負載電(dian)力）的(de)(de)發(fa)(fa)電(dian)廠，這(zhe)就是核能(neng)（包括裂變(bian)和聚變(bian)）發(fa)(fa)揮作用(yong)的(de)(de)地(di)(di)方。由于(yu)核聚變(bian)安全性更好，監管批準的(de)(de)負擔比核裂變(bian)發(fa)(fa)電(dian)廠要小很多(duo)，因此未來將(jiang)發(fa)(fa)揮重要作用(yong)。

封面圖片來(lai)源：美國能源部(bu)