北京時間12月13日，美國能源部宣布了一項重大科學進展。美國能源部下屬的勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)國家點火設施（NIF）的一個團隊首次成功在可控核聚變反應中「點火」，即在實驗中做到產生的能量大於輸入的能量，實現「淨能量增益」。
「核聚變研究自 20 世紀 50 年代初就一直在進行，這是實驗室中首次發現聚變產生的能量超過消耗的能量。」紐約羅切斯特大學核聚變實驗室的前主任麥可·坎貝爾（Michael Campbell）說。
安全可控的核聚變技術一直是科學界的攻堅對象，這次的實驗結果，讓人們看到了核聚變商業化的可能性。美國能源部長詹妮弗格蘭霍姆（Jennifer Granholm）將這一突破形容為「21世紀最令人印象深刻的科學壯舉之一」。她在發布會上表示，核聚變的商業化，可能會在未來幾十年內實現，但大概率不是之前說的50—60年。到了那一天，人類可以使用幾乎無碳的電力，這對於地球的生態環境意義重大。
一次具有里程碑意義的實驗
△NIF慣性約束聚變反應的原理。圖源/金融時報
這次成功的實驗開始於美國當地時間12月5日。研究人員將 192 束巨型雷射射入一個橡皮擦大小的圓柱體，強烈的能量將容器加熱到超過 300 萬攝氏度，容器內裝有胡椒粒大小的燃料顆粒：氘和氚。氘和氚在非常高的壓力和溫度下迅速聚在一起，引發了類似火箭的內爆。
在持續不到十億分之一秒的微小火焰中，雷射輸入了2.05兆焦耳能量，聚變的原子核釋放出 3.15 兆焦耳的能量，後者除以前者大於1，實現淨能量增益。
在此實驗之前，讓核聚變反應產生的能量大於產生它所需的能量，一直是科學界難以攻克的高峰，也是科學家們自原子時代就不停探索的課題。LLNL實驗室此前最好的成績，僅達到約70%的淨能量增益。用LLNL實驗室主任金伯利·布迪爾（Kimberly Budil ）的話來說，「驅動科學家跨越這一阻礙的，是60年持之以恆的付出。」
儘管許多科學家認為核聚變發電站還需要幾十年的時間，但這項技術的潛力不容忽視。首先，核聚變反應不需要燃燒化石燃料，因而不排放碳。此外，核聚變也不產生長壽命的放射性廢物，而這正是現行核裂變核電站「令人頭疼」的一點。另外，從原理上看，核聚變所產生的能量比核裂變反應效率更高，平均每個核子放出的能量是核裂變的3-4倍，一小杯氫燃料理論上可以為一所房子提供數百年的能源。
因而，核聚變產生的能量被視為世界上最清潔、安全的能源之一，被比做清潔能源的「聖杯」。美國國會議員唐·拜耳（Don Beyer）說：「核聚變有可能讓世界上更多人口擺脫貧困，這比火種發明以來的任何事情都要多。」
拜登政府投入近3700億美元用於低碳能源的補貼，以努力減少排放，期冀贏得新一輪全球能源革命的勝利。大多數氣候科學家和政策制定者也表示，要實現全球升溫在2攝氏度以內的目標，或者更高的1.5攝氏度的目標，世界必須在 2050 年之前實現碳中和。
商業化仍路漫漫
△為了產生聚變點火，國家點火裝置的雷射能量在空腔內轉化為 X 射線，然後壓縮燃料艙直至內爆，產生高溫高壓等離子體。圖源/LLNL官網
「雖然是個好消息，但這一結果距離發電所需的實際能量增益，還有很長的路要走，」英國劍橋大學的核能研究員托尼（Tony Roulstone）在給科學媒體中心的一份聲明中表示。
該實驗結果雖然實現了研究人員所說的科學收支平衡或能量增益，但並未實現工程收支平衡：實驗最終產生了大約 3 兆焦耳的能量，但 NIF 產生短暫的2.05兆焦耳雷射脈衝，需要從電網中提取 300 兆焦耳的能量。這意味著 NIF 實驗的效率需要提高一百倍才能完全收回成本。
LLNL武器物理和設計項目主任馬克·赫爾曼（Mark Herrmann）在接受《紐約時報》採訪時也指出，可能需要增益30—100倍才能讓聚變能發電廠成為可能。
「這就像我們要花費多少能量來煮沸 10 壺水。」 倫敦帝國理工學院慣性聚變研究中心聯合主任傑里米·奇滕登 (Jeremy Chittenden) 在接受CNN採訪時表示。此次實驗中釋放的3.15兆焦耳的能量大概可以燒開10壺水（1.1兆焦耳大約是 0.3千瓦時，燒開一壺水大約需要0.2千瓦時），他繼續表示，「為了把它變成一個發電站，我們需要讓它更加可持續，我們需要大幅降低成本。」
「可重複」是聚變能商業化的另一堵點。美國另一國家實驗室聚變能部門的主任米奇·韋德（Mickey Wade）指出，現在的雷射器需要幾個小時才能冷卻，這使得雷射轟擊發電廠的設想（雖然聽起來非常棒）完全不可能。
他認為，未來的「慣性安全殼」反應堆需要像汽車發動機一樣工作，每秒產生幾次微型爆炸。根據韋德的看法，接下來聚變能商業化要做的是延長這些反應的時間，至少維持在數十秒甚至數百秒。例如，ITER（國際熱核聚變實驗反應堆）的目標是連續維持聚變反應至少 400 秒。
下一個可能性在哪裡？
△2022 年 12 月 5 日，LLNL 國家點火設施的靶室，其中 192 束雷射束將超過 200 萬焦耳的紫外線能量傳送到一個微小的燃料顆粒，以產生聚變點火。圖源/LLNL官網
曾在華盛頓美國海軍研究實驗室擔任雷射聚變項目負責人的物理學家史蒂芬·博德納 (Stephen Bodner) 認為，現在最大的問題是美國能源部接下來要做什麼，是加倍在 NIF 進行武器研究，還是轉向面向聚變能研究的雷射項目。
國家點火設施（NIF）計劃起初不是為了製造電力而設計；相反，它是美國核武器「庫存管理」計劃的一部分。「NIF並不是為了高效而設計的，它被設計成最大的雷射器，為我們提供庫存管理計劃所需的數據。」馬克·赫爾曼指出。諸多專家認為，聚變能實驗的下一個重大進展不太可能來自 NIF 。
那新的突破可能從哪裡產生？從國家到公司，源源不斷的資金正湧向核聚變相關項目。據美國聚變工業協會數據，截至2022年年底，核聚變公司報告的私人承諾投資總額超過47億美元。同時，美國聯邦資金的支持也有所增加。拜登簽署的《通脹削減法案》為聚變項目提供了數百萬的新資金。白宮今年3月召開了首次核聚變峰會，在峰會上制定了聚變技術商業化的 10 年計劃。
史蒂芬·博德納表示，他過去一直對核聚變持謹慎態度，但在過去幾年裡，他開始相信，如果美國將重點從「武器」轉移到「能源生產」，聚變計劃就有可能成功。
在這場大型的科研競賽中，美國外的其他大國也一直沒有缺席。
2020年，被稱為「世界上最大的核聚變項目」ITER（國際熱核聚變實驗反應堆）在經歷近10年的延宕後，在法國開始組裝。該項目由中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國七個成員國共同參與，耗資逾220億美元，旨在探索清潔聚變能規模生產的可能性。
中國也在不斷探索自主可控的核聚變技術。2017年12月，中國聚變工程實驗堆（CFETR）在安徽合肥正式啟動工程設計，按計劃，預計到2035年，該項目將建成聚變工程實驗堆，並開始大規模科學實驗。
撰文：《中國報導》見習記者 李士萌
資料來源：自然、金融時報、衛報等
責編：徐豪