美国首次实现聚变点火，核聚变两大技术路线谁将胜出？

实习记者 王诗涵

当地时间12月13日，美国能源部正式宣布了一项核聚变的历史性突破。加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（下称LLNL）的科学家于12月5日首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益（Net Energy Gain）”，即受控核聚变反应产生的能量超过驱动反应发生的激光能量。

这一时刻也被称为“聚变点火（Fusion Ignition）”，是实现可控核聚变的关键步骤。美国能源部称，这一突破将永远改变清洁能源和美国国防的未来。

实验在LLNL的“国家点火设施（NIF）”中进行。该设施耗资35亿美元，大小近似一个体育场，是世界上最大、能量最高的激光系统。

NIF的反应堆是一个基于激光的惯性约束核聚变装置，使用强大的激光束产生类似于恒星和巨行星的内核以及核爆炸时的温度和压力。

核聚变是一种人造过程，可以复制为太阳提供动力的相同能量。核聚变发生时，两个轻原子核结合形成一个较重的原子核，并释放出大量能量。由于高温高压下的聚变反应难以精确控制，“净能量增益”始终是核聚变难以实现的目标。

在此次成功实现的聚变点火中，实验所输入的能量为2.05兆焦耳，并输出3.15兆焦耳的聚变能量，超过输入能量的50%。

LLNL的科学家们从1988年起研究惯性约束聚变，历经数十年探索，终于第一次实现了有意义的能量增益。去年，该实验曾输出1.37兆焦耳的聚变能量，约占所用激光能量的70%，是NIF装置此前最接近“净能量增益”的时刻。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer M. Granholm）表示，此项突破是一项里程碑式的成就，开启了一种全新的清洁能源来源。“如果我们能达到一定规模，将为实现零碳排放电力目标作出一项了不起的努力。”她说道。

核聚变被认为是未来潜在的清洁能源。与目前广泛应用的核裂变相比，核聚变具有不产生核废料、辐射少、温室气体零排放等优势，更为清洁而高效。

目前全球正在研究的可控核聚变技术路线，主要包括磁约束和激光惯性约束。

美国NIF走的是惯性约束路线，即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。

磁约束需要利用装置，用磁场来约束聚变物质，目前研究的装置包括托卡马克、仿星器、反向场箍缩及磁镜等。

该路线的主攻方向之一是采用托卡马克（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）。

托卡马克装置曾被质疑存在安全问题，以及材料问题是一大挑战。因为托卡马克装置内受到电流的控制，一旦电流或磁场中断，整个反应堆将会被破坏，影响安全。

激光惯性约束聚变的主要挑战则是反应如何具有可持续性，确保反应能量的输出始终大于输入。

此前，采用托卡马克装置的磁约束技术路线，通常被认为主流的核聚变技术路线，是最有可能率先成功的方式。全球最大“人造太阳”国际热核聚变实验堆（ITER），即采用了托卡马克装置。

ITER是全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，同时是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。

2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了国际热核聚变实验堆（ITER）项目启动协定。2008年，中国全面开展ITER计划工作，承担了其中约10%的研发制造任务。

中国对核聚变能研究开始于1960年代初，主要依托的单位为隶属于中国核工业集团公司的西南物理研究院（SWIP）和隶属于中国科学院的合肥等离子体物理研究所等。

2006年，中国自行设计、研制的世界上第一个全超导托卡马克EAST（原名HT--7U）核聚变实验装置成功完成首次工程调试，并于2007年3月通过国家验收，之后实现多次放电。这个装置规模上大大小于ITER，但是位形却与之相似。

今年10月20日，中核集团发布消息称，中国新一代“人造太阳”（HL-2M）等离子体电流突破100万安培（1兆安），创造了中国可控核聚变装置运行新纪录，标志着中国核聚变研发距离聚变点火迈进了重要一步，跻身国际第一方阵。

HL-2M即中国环流器二号M装置，为目前中国最大、参数最高的托卡马克装置，被称为中国新一代核聚变实验装置。

无论是哪条技术路线，从实验成功走向未来的核聚变商业化，都预计仍需要很长时间。

LLNL主任基姆·布迪尔（Kim Budil）表示，实现核聚变商业化可能需要数十年，核聚变技术还需克服诸多障碍，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。

美国有线电视新闻网（CNN）的报道指出，当前实现的“净能量增益”规模，远小于实现电网供电和建筑物供暖所需的规模。因此，科学家们将在下一步探索如何实现更大规模的核聚变能量，以及最终如何降低核聚变成本以供商业化。

基姆·布迪尔对此持有信心，“核聚变正在走向前台。通过共同努力和投资，对基础技术几十年的研究或许可以使我们有能力建造一座（核聚变）发电厂。”