核聚变进入可行时代！中国点火成功，只是时间问题
转自：东方网
北京时间12月13日23点，美国能源部向外界正式宣告，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），2022年12月5日在美国国家点火装置（NIF）的一个实验发次中，历史性实现了核聚变反应的净能量增益。
这个实验在人类能源史上竖起了一块里程碑。自上世纪六十年代初提出激光惯性约束聚变以来，这是人类首次实现“输出超过输入”的能量，核聚变这种人类迄今所知的终极清洁能源，终于从“可能”的梦想变成了“可行”的实践。
人类激光聚变进入“可行时代”
在NIF的这次实验中，输入激光总能量为2.05兆焦（MJ），所获得的氘氚聚变能量输出为3.15MJ，能量增益达到1.5倍。
“这是激光聚变历史上划时代的一天，也是经历了几十年的屡败屡战之后，惯性聚变能的科学基础首次得到了证实。”昨晚看到新闻之后，多年从事激光聚变研究的中国科学院上海光学精密机械研究所研究员朱健强非常兴奋而快乐，“激光聚变一直不成功，大家都承受了太大的压力，如今终于看到了曙光！”
可控核聚变是人类获得清洁能源的终极梦想。目前，世界上实现可控核聚变主要有两条途径，一是磁约束核聚变，就是俗称“人造太阳”的托卡马克装置，迄今公认的聚变能量增益值纪录为0.67，尚未冲破1的平衡点；二是激光聚变点火，即使用高功率激光触发核聚变。
过去，由于核聚变发生的条件实在过于苛刻，激光所用的能量往往高于聚变反应产生的能量，最多也只是打平——这就让整个系统如同一个效益不佳的工厂，压根无法可持续运营。
据介绍，NIF的这次实验主要对激光调控和靶丸设计进行了特别改进。“美国同行成功解决了能量与功率的平衡等诸多难题，这些年不断在提高系统稳定性上，将器件性能推向极致。”朱健强提到，美国科学家有一种攻关思维叫“营地战术”，用分解问题的思路来攻坚物理学难题，瞄准目标，汇聚欧美最顶尖的智慧，不断寻找一种方法与途径，逐步逼近目标，最终率先实现了净能量增益这一目标。
▲美国国家点火装置的靶室，在2022年12月5日，总能量为200万焦耳的192束激光向一个微小的氘氚燃料球汇聚，以实现聚变点火。
全球聚变竞争将迅速加剧
“为聚变能源提供技术途径”在此次NIF的新闻发布会上被反复提及。有专业人士认为，未来几十年，该领域势必成为世界各国的竞争焦点，而聚变商用堆则会成为下一个“兵家必争之地”。
聚变领域有个“还有50年”的老笑话，指的是实现聚变能似乎总是遥遥无期。而如今，这个笑话已成为历史，取而代之的是从各国政府到商业领域的热切追捧。
美国政府在今年11月发布的白宫报告《美国创新实现2050年气候目标》中，将聚变能源列为五个首要任务之一，并将聚变能源列为重要的国家安全问题。美国能源部也已明确地鼓励私人公司和研究机构参与聚变研究，并将全力推进聚变能源的商业化。
在核聚变的另一路线——磁约束核聚变领域，日本已在今年正式运行了新一代热核聚变实验装置JT-60SA，该装置将成为世界最大的超导托卡马克等离子体实验装置。英国也将投入3亿美元，在2024年完成球形托卡马克STEP设计，并计划于2040年完成建设运行。而位于安徽合肥的中国托卡马克装置EAST今年年初已实现1.2亿度101秒等离子体运行。
朱健强认为，目前科学家还刚实现了激光聚变的第一步，聚变能真正要达到商用阶段，可能还需要几十年的努力。“但是，先进的聚变技术在发展过程中，就会对经济起到巨大的推动作用。”他以上海光机所为例，仅在研究所所在的嘉定地区所拥有的光电产业规模年产值就超过100亿元。
中国“点火”预期未来五年实现
兴奋之余，朱健强与同事也感受到了压力。
从上世纪六十年代起，我国老一辈科学家就开始了我国激光装置的开拓，并对激光聚变点火装置进行布局。在“究竟能不能做成”的质疑中摸爬滚打多年，目前我国的激光聚变装置也已取得了长足发展，“中国点火成功，只是时间问题。”朱健强透露，目前国内的激光器规模比美国的小，“我们会在三至五年内达到美国点火装置的规模，届时就能开展大规模实验冲击点火，很可能未来三五年就可实现目标”。
我国激光聚变领域泰斗、中国工程院院士范滇元认为，NIF的成功给整个聚变领域树立起了信心。“接下来，降低点火的门槛，提高能量增益效率，会成为攻关的重点。”他提到，中国的科学家已经提出了非常有价值的方案。
目前，NIF使用的点火方案是间接点火，而中国激光聚变装置则采用直接点火。朱健强透露，中国科学院已于2020年成立先导专项，由中科院院士张杰领衔，攻关更加高效的点火技术。这种技术被称为“快点火”，理论上可以使聚变点火所需的能量下降十倍。范滇元认为，虽然核聚变净能量增益的“0到1”被美国科学家拔得头筹，但将增益率提升到10、100的过程中，中国科学家一定会有所建树。
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NIF的点火之路
◆1972年，《自然》杂志首次刊发论文，揭秘了一种基于内爆方式的激光聚变方案，即中心点火方案，这一年也因此被学术界称之为激光聚变元年。
◆1997年，美国劳伦兹利弗莫尔实验室开始以实现聚变能量输出大于输入的激光能量为目标，建设拥有192路、总能量约为2兆焦的国家点火装置（NIF）。
◆2021年8月8日，NIF的N210808发次采用了更大的靶丸尺寸与更小的激光入射孔径，获得了1.35MJ的能量输出，能量增益达到了0.7，相较于同年先前的实验发次能量产额翻了近十倍，首次证明NIF已经实现了物理意义上的点火。
◆2022年12月5日，NIF实现了聚变能源意义上的净能量增益。NIF的科学们还会继续改进靶和激光设计，明年预计会获得更高的能量增益。
（资料来源：《激光评论》）
作者：许琦敏
图片：LLNL官网、EAST官网、中科院网站
责任编辑：任荃