據(jù)英國《金融時報》網(wǎng)站報道，7月30日，美國加利福尼亞勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)科學家在美國國家點火裝置(NIF)上開展的一項實驗中，成功實現(xiàn)了激光驅(qū)動核聚變點火——聚變產(chǎn)生的能量多于激光輸入的能量，繼2022年12月之后，核聚變反應(yīng)再次實現(xiàn)凈能量增益!
關(guān)于美國實現(xiàn)的凈能量增益，有媒體將其譽為本世紀以來最重大的技術(shù)突破。對此，中國工程院院士、慣性核聚變專家杜祥琬認為，該突破確實是一個重大進步，具有科學意義，但是當前離實現(xiàn)高增益的核聚變商業(yè)規(guī)模發(fā)電，還存在無法跨越的技術(shù)障礙。
“從提出激光驅(qū)動慣性約束聚變到現(xiàn)在已經(jīng)過去50年，除了建造巨大激光器的技術(shù)困難以外，在慣性聚變科學問題上更是經(jīng)歷了幾代人艱苦探索、不斷深化科學規(guī)律認知的過程，所以這次NIF上實現(xiàn)第二次點火，意義重大。”中國科學院院士賀賢土對科技日報記者表示，但要借助該技術(shù)實現(xiàn)無限清潔能源的夢想，仍有很長的路要走。
核聚變優(yōu)勢突出
行星發(fā)動機、量子計算機、太空電梯……電影《流浪地球2》中的“硬核”科技元素讓人嘆為觀止，而行星發(fā)動機推動地球利用的正是可控核聚變技術(shù)。
太陽之所以有源源不斷的能量，就在于其內(nèi)部一直在進行大量的核聚變。核聚變是兩個輕量元素的原子核聚合到一起，同時釋放巨大能量的核反應(yīng)。太陽內(nèi)部的日核區(qū)溫度極高、壓強極大，使核聚變反應(yīng)持續(xù)發(fā)生。
核聚變的“燃料”易于獲取，不會產(chǎn)生核裂變所出現(xiàn)的長期和高水平的核輻射，也不會產(chǎn)生放射性廢物。因此，核聚變被認為有望提供近乎無限的清潔能源。一旦實現(xiàn)核聚變商業(yè)規(guī)模發(fā)電，將一舉解決困擾全人類的能源緊缺問題，為應(yīng)對氣候變化、保護環(huán)境和解決貧困與發(fā)展問題注入不竭動力，從而改變?nèi)祟惖奈磥怼?/p>
賀賢土指出，核聚變具有三大優(yōu)勢。首先，原料儲量巨大，在核聚變中相對容易實現(xiàn)的是氘-氚聚變反應(yīng)，海水中蘊藏了幾乎取之不盡的氘，取一礦泉水瓶(約550毫升)的海水可提取約0.015克氘;而中子與鋰-6作用可產(chǎn)生氚，海水和陸地中鋰-6蘊藏量豐富，也幾乎取之不盡。其次，核聚變反應(yīng)不排放碳，也不會產(chǎn)生任何長期放射性廢物。氘—氚聚變反應(yīng)的最終產(chǎn)物是氦和攜帶大量能量的中子，不會造成任何污染，對環(huán)境很友好。最后，與核裂變不同，核聚變中，在物理上不可能發(fā)生類似切爾諾貝利或福島事故的事件，因為一旦發(fā)生故障，反應(yīng)就會自行熄滅。
然而，核聚變反應(yīng)極為劇烈，想要捕捉太陽之火，駕馭恒星的能量，最大的難點在于實現(xiàn)核聚變的穩(wěn)定可控，即控制核聚變的速度和規(guī)模，以實現(xiàn)安全、持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出?？煽睾司圩円讶怀蔀閷崿F(xiàn)能源用之不竭終極夢想的可能途徑。
可控核聚變的兩條技術(shù)路線
目前，在地球上實現(xiàn)可控核聚變主要有激光慣性約束和磁約束核聚變兩大技術(shù)路線。
激光慣性約束核聚變是采用激光作為驅(qū)動器壓縮氘氚燃料靶球，在高密度燃料等離子體的慣性約束時間內(nèi)實現(xiàn)核聚變點火燃燒。這也是美國LLNL采取的技術(shù)路線。
磁約束核聚變是采用強磁場約束等離子體的方法，把核聚變反應(yīng)物質(zhì)控制在“磁籠子”里。托卡馬克裝置是實現(xiàn)磁約束核聚變的理想容器，國際熱核聚變實驗反應(yīng)堆計劃(ITER)的目標就是建造最大、最復雜的托卡馬克裝置，以驗證核聚變能源的科學和工程可行性。
自2022年以來，美國不斷傳來好消息，LLNL在激光慣性約束核聚變實驗中兩次實現(xiàn)凈能量增益。在可控核聚變的兩種技術(shù)路線中，激光慣性約束似乎更具前景。情況真的如此嗎?
再次實現(xiàn)凈能量增益
2022年12月，LLNL研究人員取得了一個具有里程碑意義的歷史性成就：聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過了輸入的能量。在該實驗室的NIF激光能量驅(qū)動下，含氘氚靶球產(chǎn)生足夠的熱量和壓力，將氫的同位素氘和氚轉(zhuǎn)化為可發(fā)生核聚變的等離子體。NIF輸出了2.05兆焦耳的激光能量，反應(yīng)產(chǎn)生的能量約為3.15兆焦耳，燃燒了靶球中約4.7%的氘氚裝量。雖然這些數(shù)字遠未達到商業(yè)核聚變反應(yīng)堆的要求，但它為利用聚變反應(yīng)堆發(fā)電帶來了至關(guān)重要的希望。
今年7月30日，該實驗室再次實現(xiàn)了點火，而且，反應(yīng)堆產(chǎn)生了約3.5兆焦耳的能量輸出。
LLNL發(fā)言人8月7日接受《新科學家》雜志采訪時表示，目前他們正進行分析，并計劃在即將舉行的科學會議上提交最終結(jié)果。
激光慣性約束仍面臨“攔路虎”
這意味著核聚變發(fā)電“夢想照進現(xiàn)實”了嗎?《新科學家》雜志網(wǎng)站在報道中一針見血地表示，還沒有。
賀賢土解釋稱，要使聚變反應(yīng)輸出的能量高于激光器輸入的能量，需要改善激光器的性能。目前，NIF激光器本身效率極低。電能變?yōu)榧す獾哪芰啃始s為0.5%，為產(chǎn)生2.1兆焦耳的光能，激光束至少需要提供大約400兆焦耳的能量。此外，NIF激光輸出一次只能點火一次，且持續(xù)時間僅為幾十億分之一秒，然后必須冷卻幾小時才能再次啟動。而商業(yè)反應(yīng)堆需要每秒點火多次。
“為使激光慣性約束聚變應(yīng)用于能源，科學家們面臨的一個重大挑戰(zhàn)是建造高效、高重復頻率的新型激光器，同時大幅提高靶球中的氘氚燃燒效率，創(chuàng)造一個聚變反應(yīng)輸出能量數(shù)倍于激光提供的能量的條件。”賀賢土強調(diào)。
未來任重而道遠
英國倫敦帝國理工學院等離子體物理學教授杰里米·奇滕登指出，此次具有里程碑意義的點火有效地證明核聚變科學是合理的，并使科學家們面臨的問題成為工程問題而非物理問題。賀賢土說：“雖然LLNL反應(yīng)堆的效率會進一步提高，但要使這種設(shè)計商業(yè)化，還需要進行根本性的改變，因為這是一種將激光能量轉(zhuǎn)換為熱X射線后，加熱含氘氚燃料靶球進而驅(qū)動內(nèi)爆的間接驅(qū)動方法，靶球接受的能量少，效率低。”
激光慣性約束聚變還包括激光直接作用靶面的直接驅(qū)動方法和最近提出的混合驅(qū)動方式。后者充分利用間接和直接驅(qū)動優(yōu)點，克服了相應(yīng)缺點。這兩種方法的激光利用率高，而NIF激光器結(jié)構(gòu)只適用于間接驅(qū)動方法。
不過，賀賢土也指出，對于慣性約束聚變來說，除產(chǎn)生能源以外，目前更重要的是用于國家安全研究和高能量密度科學研究，后者為認識天體現(xiàn)象、高壓下材料特性以及新材料研究、先進的激光加速器等高技術(shù)研究等方面提供了十分重要的基礎(chǔ)。
其實，除了激光慣性約束核聚變，中國、歐盟自去年以來在磁約束核聚變領(lǐng)域也在不斷取得突破。ITER組織副總干事羅德隆介紹，中國HL-2M托卡馬克創(chuàng)造了等離子體電流超過100萬安培的運行紀錄，中國全超導托卡馬克核聚變實驗裝置(EAST)成功實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)高約束模式等離子體運行403秒紀錄，歐盟JET項目實現(xiàn)在連續(xù)5秒的時間內(nèi)產(chǎn)生59兆焦耳能量。“這些進展也堅定了全球?qū)Υ偶s束可控核聚變的信心。”羅德隆表示。
但是奇滕登也明確強調(diào)一點：聚變反應(yīng)堆至少還有很多年才能投入使用，人類或許不能依靠這項技術(shù)來解決當前的氣候變化危機，在中短期內(nèi)，清潔和豐富的能源只可能來自可再生能源。
談及核聚變的未來，羅德隆的判斷是，到本世紀中葉即有可能邁出聚變能源的第一步。當然，能發(fā)電和大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用之間還有一定的距離，但能夠證明這條路線的可行性。“自人類最早提出托卡馬克核聚變裝置，到托卡馬克實現(xiàn)商業(yè)發(fā)電，樂觀估計也需要整整一個世紀。一代又一代的科學家和工程技術(shù)人員全身投入其中，很多人無法看到核聚變商用的繁榮景象，但對未來的共同期待和愿景，對核聚變定能成功帶來無限清潔能源的信念，推動著人類向真正實現(xiàn)能源獨立不斷邁進。”羅德隆說。
來源：科技日報 記者 劉 霞 李宏策
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