涨知识｜为何核聚变总在“五十年后”？美国聚变点火有何弦外之音？

本周，一条消息刷爆了朋友圈：美国能源部12月13日宣布，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的国家点火装置（NIF）首次实现了所谓的“能量净增益”，即核聚变反应产生的能量超过输入的能量。不少媒体对此跟进,出现了诸如“核聚变里程碑式突破，人类将告别化石能源时代？”等文章。

那么，是真的吗？实际上，美国“核聚变点火”与聚变能商用化之间的距离仍遥如天堑。除了能源属性之外，该事件中的“弦外之音”同样值得关注。

复刻太阳的聚变约束，难在哪？

按照国际原子能机构（IAEA）的定义，核能是从质子和中子组成的原子核（原子的核心）释放的一种能量形式，可以通过两种方式产生：裂变——原子核分裂成若干部分，或聚变——原子核融合在一起。

当下我们讨论核电站时，讨论的往往是各种“水堆”，包括轻水堆、重水堆、沸水堆等等。这源于现时商业化运转中的反应堆多是第二代反应堆与少数第三代反应堆系统，其冷却剂甚至慢化剂基本都是水。随着第三代反应堆即将进入大规模商运，第四代反应堆技术已不再遥远。近年来有关聚变研究进展的新闻并不鲜见，聚变堆发电似乎也已雏形显现。

早在近四十年前，中国就已制定从核裂变向聚变跨越的路径。1983年6月，国务院科技领导小组主持召开专家论证会，提出了中国核能发展“三步走（压水堆—快堆—聚变堆）”的战略，以及“坚持核燃料闭式循环”的方针。这一战略在后续诸多重要文件中不断被重申。

我们现在处于什么阶段呢？聚变能商用化是不是真的已经在路上了？

先说结论：总体来说，我国目前仍处于“三步走”战略的第一阶段，未来一段时期内核电建设仍将以压水堆为主。快堆的研究工作取得了很大进展，示范快堆工程计划于2023年建成投产。而聚变堆仍处于研究初期，离商用发电还有很长一段距离。

自世界上第一颗氢弹爆炸以来，把聚变能变成像裂变能一样可控制利用一直是核科学家们梦寐以求的目标，与核裂变相比，核聚变具有几个突出优点：

1）燃料丰富。聚变反应的主要原料为氘和氚，主要来源于海水。地球海水中有 45万亿吨氘，地球上蕴藏的聚变能为裂变能的1000万倍，可谓取之不竭；

2）燃料成本低廉。1千克氘的价格仅为同等质量浓缩铀的10%，在聚变电站的一次性投资中，燃料费用仅占总投资的1%；

3）环境污染小，运行安全。聚变反应几乎没有长寿命的放射性核素，氘和氚的聚合只能产生高能中子和α粒子，都不具有放射性，这给聚变堆的运行安全和退役带来了便利。聚变堆是次临界堆，反应堆中的氘和氚数量很少，发生聚变反应的条件十分苛刻，任何时空的燃烧都将迅速消耗尽全部燃料，破坏反应条件，故聚变堆不会发生意外失控事故；

4）反应释放能量巨大。不论是聚变反应还是裂变反应，产生的能量都来自核反应前后的质量亏损，一次聚变反应使4‰的物质转化为能量，而一次裂变反应使 1‰的物质转化为能量，从质能转换的角度来看聚变反应释放的能量比裂变反应大。

基于此，核聚变成为未来能源技术发展的主要方向之一，也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类可持续发展的重要途径之一。每一次核聚变研究出现突破，无一例外都会极大触动媒体的神经并引发大众热议。

实际上，核聚变是宇宙中最为常见的反应，也是宇宙中绝大部分恒星能量的来源。太阳就是一颗不停进行着聚变反应的大火球。

从反应条件来看，核裂变的原子核质量较大，且本身不稳定，因此只要常温常压环境就能实现裂变反应；核聚变反应则不同，需要克服原子核之间巨大的静电排斥力。没有足够的能量或特殊环境去打破静电排斥力的临界点，人们就无法把原子核融合在一起，同时释放出巨大能量。

核聚变反应发生在一种叫作等离子体的物质状态中。等离子体是一种由正离子和自由移动的电子组成的高温带电气体，具有不同于固体、液体和气体的独特性质。简单地说，核聚变是两个轻原子核结合成一个较重的原子核并释放出巨大能量的过程。但这一结合需要克服原子核之间的静电排斥力才能进行。

如何克服？高温高压。比如太阳，巨大的质量使其内部形成高达2000亿个大气压的超高压力，再加1500万度的温度，可以把氢原子聚变成为氦原子。如何把需要这种极端条件的核聚变反应复刻到地球上实现并为人类所用，常被形象地称为“人造太阳”。

技术上而言，其实人类很早就在地球上实现了核聚变，那就是氢弹。

美国和苏联分别在20世纪50年代完成了各自的第一颗氢弹。接近70年过去了，人类为何还没有将核聚变能民用化呢？这涉及到核聚变能民用的另外一个关键词——“约束”。

直白点说，就是如何将氢弹一瞬间爆发的能量，像太阳一样，让其缓缓均匀流淌。我们很自然地会想到，太阳是如何实现聚变约束的，复刻不就行了吗？

太阳内部的核聚变反应使其核心区压力巨大（约是2500亿个地球大气压），并产生巨大的向外压力，而这个由热核反应产生的向外压力，与外层质量因引力而产生的向内压缩力形成抗衡。正所谓大道至简，巧妙的“左右互搏”让太阳的核聚变反应异常稳定。

但很显然，我们无法把上述条件复刻到地球上来。因此在地球上的“人造太阳”约束路线还需另想办法，目前全球正在研究的可控核聚变技术路线，主要包括磁约束(Magnetic Confinement Fusion，简称MCF)和惯性约束(Inertial Confinement Fusion，简称ICF)。

磁约束，顾名思义，需要用磁场来约束聚变物质，目前最常见的装置为托卡马克、仿星器等。比如该路线的主攻方向之一采用托卡马克（Tokamak）装置，这是一种环形容器，用磁场形成一个“磁笼”将等离子体束缚住，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现受控核聚变。这种装置又称环磁机，名字来源于其的关键词——环形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、线圈（kotushka）。   

当前国际上具有代表性的托克马克装置包括美国DIIID、欧洲的JET、日本JT-60、我国的EAST和HL-2M等。此外，由多国合作建设的国际热核聚变实验堆(ITER)计划也是基于超导托卡马克，中国是该项目的主要成员方之一。

惯性约束路线，则是利用内爆产生的向心运动物质的惯性来约束高温热核燃料等离子体。有点类似太阳那种双力“左右互搏”的味道，可用于惯性约束的驱动器主要包括高功率激光装置、Z箍缩装置和重离子束装置等。

从技术角度来看，目前国际惯性约束聚变研究的重点是激光驱动惯性约束聚变(Laser Inertial Confinement Fusion，简称LICF)。LICF用超大功率激光器产生激光束，射向一个含氘氚的氢球形靶丸上使其崩溃，并产生1亿摄氏度左右的高温，从而触发氢原子聚变，释放大量能量。

这次大新闻的主角——美国国家点火装置（NIF)正是LICF领域的代表性装置。我国的神光系列和法国LMJ 装置也是LICF的代表性装置。值得一提的是，“神光-III”主机装置的建成标志着我国高功率固体激光技术进入全新的历史阶段，使世界惯性约束聚变研究形成美、中、欧三足鼎立之势，是显示我国综合国力和核心竞争力的重要标志之一。

NIF点火：抛开能源属性，还有何“弦外之音”？

回到美国的NIF。NIF于2009年建成，2010年开始进行点火物理实验。该装置的设计目的是用于验证聚变点火和燃烧获得中等增益。其设计输出能量1.8 MJ，最大功率520TW，激光波长351nm。在NIF装置建设的同时，美国于2006年启动“国家点火攻关计划”(National Ignition Campaign，简称NIC)，用于实施与点火物理相关的理论、实验和制靶等研究。

NIF装置部分外观

NIF装置当年的修建现场（1997）

NIF装置全貌

从原理上考量，LICF核聚变可以简化为四个阶段：强光辐照、内爆压缩、聚变点火和聚变燃烧。即，通过激光束(或X光)快速加热靶丸表面，形成一个等离子体烧蚀层；利用靶丸表面热物质向外喷发，从而反向压缩燃料；聚变点火则是通过向心聚爆过程，使DT核燃料达到高温、高密度状态；聚变燃烧是热核燃烧在被压缩燃料内部蔓延，聚变放能大于驱动能量，获得能量增益。

划重点，能量增益，这也是本次NIF实验的核心里程碑。

NIF建成后的实验取得了巨大进展，诸多关键物理参数在不同发次达到或接近达到点火靶设计指标。但是，聚变点火相关的关键物理参数未能在同一发次达到设计目标，且部分指标低于预期。

美国“国家点火攻关计划”结束后，继续在NIF装置上开展点火物理研究，核心目标之一就是能量增益。我们常说的能量增益，全称是聚变能量增益因子（Fusion energy gain factor），通常用符号Q表示，是核聚变反应所产生能量与维持反应器等离子体稳态的输入装置能量之比。

当Q=1，聚变反应所释放的功率等于维持反应所需的加热功率时，称为收支平衡。我们至少需要Q>1，才能实现能源增益。当然这是理想情况，也就是所谓的“科学收支平衡”，此外还有工程收支平衡、经济收支平衡和推断收支平衡。聚变堆商用必须一座一座地越过这几个收支平衡大山。

比如，考虑到工程中的各种能量损失，在至少达到Q=5之前，聚变反应堆中的自热预计不会达到反应堆输入功率。当增加到Q=5以上，自热的增加令反应堆不再需要外部加热输入能量以维持反应。在此之后，聚变反应开始自我维持，这种情形被称为聚变点火。

对于Q值的突破，NIF已进行了多次核聚变实验，最好的成绩是产出和投入能量比为70%，仍然是净能量损失。

这次的不同之处在于，核聚变反应产生了大约2.5兆焦耳的能量，大约是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%，输出能量大于输入能源。于是美国媒体对此给予高度称赞，将其形容为“帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步”。美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆在记者会上强调“这是一项里程碑式的成就”，“将以商用化为目标，制定雄心勃勃的十年战略方案”。

实际上，Nature于2014年2月12日发表的一篇文章《Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion》就已宣布NIF首次实现了受控核聚变能量增益大于1的实验。当时也被视为巨大里程碑。

不可否认，每一次Q值的突破都是里程碑，但这是科研上的进展，离产生上百倍的高增益目标还差得很远，更别说变成真正清洁、无限能量的“人造太阳”。

太阳之所以是太阳，是因为太阳每天照常升起艳阳高照，恒星之所以是恒星，是因为恒星的发光发热在人类时间尺度来看，是永恒的。核裂变之所以能实现商用，正是因为其能源源不断地稳定输出能量。

放下聚变Q值，我们理性回归到另外一个核聚变关键概念，聚变三重积：等离子体密度、约束时间、温度的乘积。我们常说的劳森判据往往指的是三重积要高于某阈值，劳森判据是衡量核聚变的品质参数。

劳森判据标准

从此图中可以看出，目前所有聚变装置离三重积目标都还有一段距离。聚变研究者希望提高劳森判据，就这三个参数逐个提升指标。但显而易见的一点是，温度密度越高就越难以约束，因此三者同时提高是一个极其困难的任务。

今年8月，《物理学评论快报》发表了一篇关于NIF的论文《在聚变实验中实现劳森准则的点火》。研究者报告他们产生了一种等离子体，其中产生的热量不仅超过了外部加热而且超过了所有损失，几乎满足了所谓的聚变点火劳森准则，非常接近该领域的“圣杯”——通过聚变产生比驱动激光脉冲中包含的净能量更大的净能量。

美国国家点火装置团队用192束激光束，向一个微型燃料颗粒输送了205万焦耳的激光能量，点燃核聚变燃料，最终产生了315万焦耳的聚变能量输出——增益约为150%。成功地令氢原子发生聚变，在100万亿分之一秒内释放1.3兆焦耳的能量，即10千万亿瓦的功率。

然而，这只是一次在实验室进行的原理验证水平上的成功。每次工作时间只有20-30纳秒，发出的电量实际上只是“相当于烧开10壶水”。从能量总量上来看，持续时间还太短了，此外，劳伦斯利弗莫尔国家实验室原则上每天大约可以产生一次这种结果——聚变发电厂需要每秒产生十次。

这样看来，两者的距离是不是依然如同天堑一般？

科技发展就是这样，不积跬步无以至千里。让我们看看另外一条路线——磁约束托卡马克的发展历程：

在1970年，苏联托卡马克装置T-3上实现了核聚变能量输出，能量增益因子Q值为十亿分之一，等离子体约束以毫秒计算。

1997年9月22日，联合欧洲环JET创造输出功率为12900千瓦的世界纪录，Q值达0.60，持续时间2秒。

2021年5月28日，我国的EAST实现了可重复的1.2亿度101秒等离子体运行和1.6亿度20秒等离子体运行，再次创造托卡马克实验装置运行新的世界纪录，为核聚变发电奠定了坚实的物理和工程基础。这个温度也大大超过了太阳的中心温度（约1500万度）。

2006年启动的ITER的目标是产生50万千瓦的聚变功率，离子温度1.5亿度，维持至少400秒，放电3000秒，能量增益Q＞10。

核聚变行业有一个比较刺耳的“永远的五十年”的笑话。造成这个笑话的原因，部分源于某些科研工作者的激进思维，也与某些媒体的错误导向有关。

在美国国家点火装置（NIF）这样的激光惯性约束聚变中，材料问题不是主要问题，毕竟反应的靶丸（capsule）非常小，但反应不具有可持续性是很大的问题，且反应能量的输出和转移目前没有托卡马克成熟。

发布会上，劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔坦言，如果想将这一成果商业化，核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服，可能还需要几十年的努力和投资。包括实现每分钟完成多次聚变点火，并拥有稳健的驱动程序系统等。

抛开能源属性和价值，还可以从另外一个角度来看该事件。

NIF由美国能源部下属管理核武器的国家核安全局负责运行，它的主要任务是实现能产生高能量的聚变反应，并为美国核武器储备的维护提供指导。这可以帮助美国绕过因《全面禁止核试验条约》而停止的地下核试验，转而以较小的规模进行核反应实验，并从中收集数据。

美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆在发布会上称，NIF的突破性成果有助于美国“在不进行核试验的情况下维持核威慑力”。劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的武器物理和设计项目主任马克·赫尔曼表示，该实验本身创造的非常极端的环境，更加接近于核武器爆炸。

核能领域向来具备军民两用属性，如果该实验的定位不仅仅是聚变能的商用呢？正如杜祥琬院士所指出的，“该实验的定位不是商用的能源装置，美国此次开展的激光能可控核聚变，根本目的是研究核武器相关的物理问题。”

如果是出于核武器研究，那么前文所提及的持续时间、能量导出等问题，就都不是问题了。

因此，针对这次NIF的里程碑成果，从能源角度来看，可以让子弹再飞一会儿；但是从核武器角度来看，则有些发人深思了。

（作者系国内核聚变领域研究人员。）