本周，一條消息刷爆了朋友圈：美國(guó)能源部12月13日宣布，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）首次實(shí)現(xiàn)了所謂的“能量?jī)粼鲆妗?，即核聚變反?yīng)產(chǎn)生的能量超過(guò)輸入的能量。不少媒體對(duì)此跟進(jìn),出現(xiàn)了諸如“核聚變里程碑式突破，人類將告別化石能源時(shí)代？”等文章。

那么，是真的嗎？實(shí)際上，美國(guó)“核聚變點(diǎn)火”與聚變能商用化之間的距離仍遙如天塹。除了能源屬性之外，該事件中的“弦外之音”同樣值得關(guān)注。

復(fù)刻太陽(yáng)的聚變約束，難在哪？

按照國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）的定義，核能是從質(zhì)子和中子組成的原子核（原子的核心）釋放的一種能量形式，可以通過(guò)兩種方式產(chǎn)生：裂變——原子核分裂成若干部分，或聚變——原子核融合在一起。

當(dāng)下我們討論核電站時(shí)，討論的往往是各種“水堆”，包括輕水堆、重水堆、沸水堆等等。這源于現(xiàn)時(shí)商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)中的反應(yīng)堆多是第二代反應(yīng)堆與少數(shù)第三代反應(yīng)堆系統(tǒng)，其冷卻劑甚至慢化劑基本都是水。隨著第三代反應(yīng)堆即將進(jìn)入大規(guī)模商運(yùn)，第四代反應(yīng)堆技術(shù)已不再遙遠(yuǎn)。近年來(lái)有關(guān)聚變研究進(jìn)展的新聞并不鮮見(jiàn)，聚變堆發(fā)電似乎也已雛形顯現(xiàn)。

早在近四十年前，中國(guó)就已制定從核裂變向聚變跨越的路徑。1983年6月，國(guó)務(wù)院科技領(lǐng)導(dǎo)小組主持召開(kāi)專家論證會(huì)，提出了中國(guó)核能發(fā)展“三步走（壓水堆—快堆—聚變堆）”的戰(zhàn)略，以及“堅(jiān)持核燃料閉式循環(huán)”的方針。這一戰(zhàn)略在后續(xù)諸多重要文件中不斷被重申。

我們現(xiàn)在處于什么階段呢？聚變能商用化是不是真的已經(jīng)在路上了？

先說(shuō)結(jié)論：總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)目前仍處于“三步走”戰(zhàn)略的第一階段，未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)核電建設(shè)仍將以壓水堆為主?？於训难芯抗ぷ魅〉昧撕艽筮M(jìn)展，示范快堆工程計(jì)劃于2023年建成投產(chǎn)。而聚變堆仍處于研究初期，離商用發(fā)電還有很長(zhǎng)一段距離。

自世界上第一顆氫彈爆炸以來(lái)，把聚變能變成像裂變能一樣可控制利用一直是核科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，與核裂變相比，核聚變具有幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：

1）燃料豐富。聚變反應(yīng)的主要原料為氘和氚，主要來(lái)源于海水。地球海水中有 45萬(wàn)億噸氘，地球上蘊(yùn)藏的聚變能為裂變能的1000萬(wàn)倍，可謂取之不竭；

2）燃料成本低廉。1千克氘的價(jià)格僅為同等質(zhì)量濃縮鈾的10%，在聚變電站的一次性投資中，燃料費(fèi)用僅占總投資的1%；

3）環(huán)境污染小，運(yùn)行安全。聚變反應(yīng)幾乎沒(méi)有長(zhǎng)壽命的放射性核素，氘和氚的聚合只能產(chǎn)生高能中子和α粒子，都不具有放射性，這給聚變堆的運(yùn)行安全和退役帶來(lái)了便利。聚變堆是次臨界堆，反應(yīng)堆中的氘和氚數(shù)量很少，發(fā)生聚變反應(yīng)的條件十分苛刻，任何時(shí)空的燃燒都將迅速消耗盡全部燃料，破壞反應(yīng)條件，故聚變堆不會(huì)發(fā)生意外失控事故；

4）反應(yīng)釋放能量巨大。不論是聚變反應(yīng)還是裂變反應(yīng)，產(chǎn)生的能量都來(lái)自核反應(yīng)前后的質(zhì)量虧損，一次聚變反應(yīng)使4‰的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量，而一次裂變反應(yīng)使 1‰的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量，從質(zhì)能轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看聚變反應(yīng)釋放的能量比裂變反應(yīng)大。

基于此，核聚變成為未來(lái)能源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，也是目前認(rèn)識(shí)到的可以最終解決人類社會(huì)能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題、推動(dòng)人類可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。每一次核聚變研究出現(xiàn)突破，無(wú)一例外都會(huì)極大觸動(dòng)媒體的神經(jīng)并引發(fā)大眾熱議。

實(shí)際上，核聚變是宇宙中最為常見(jiàn)的反應(yīng)，也是宇宙中絕大部分恒星能量的來(lái)源。太陽(yáng)就是一顆不停進(jìn)行著聚變反應(yīng)的大火球。

從反應(yīng)條件來(lái)看，核裂變的原子核質(zhì)量較大，且本身不穩(wěn)定，因此只要常溫常壓環(huán)境就能實(shí)現(xiàn)裂變反應(yīng)；核聚變反應(yīng)則不同，需要克服原子核之間巨大的靜電排斥力。沒(méi)有足夠的能量或特殊環(huán)境去打破靜電排斥力的臨界點(diǎn)，人們就無(wú)法把原子核融合在一起，同時(shí)釋放出巨大能量。

核聚變反應(yīng)發(fā)生在一種叫作等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中。等離子體是一種由正離子和自由移動(dòng)的電子組成的高溫帶電氣體，具有不同于固體、液體和氣體的獨(dú)特性質(zhì)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，核聚變是兩個(gè)輕原子核結(jié)合成一個(gè)較重的原子核并釋放出巨大能量的過(guò)程。但這一結(jié)合需要克服原子核之間的靜電排斥力才能進(jìn)行。

如何克服？高溫高壓。比如太陽(yáng)，巨大的質(zhì)量使其內(nèi)部形成高達(dá)2000億個(gè)大氣壓的超高壓力，再加1500萬(wàn)度的溫度，可以把氫原子聚變成為氦原子。如何把需要這種極端條件的核聚變反應(yīng)復(fù)刻到地球上實(shí)現(xiàn)并為人類所用，常被形象地稱為“人造太陽(yáng)”。

技術(shù)上而言，其實(shí)人類很早就在地球上實(shí)現(xiàn)了核聚變，那就是氫彈。

美國(guó)和蘇聯(lián)分別在20世紀(jì)50年代完成了各自的第一顆氫彈。接近70年過(guò)去了，人類為何還沒(méi)有將核聚變能民用化呢？這涉及到核聚變能民用的另外一個(gè)關(guān)鍵詞——“約束”。

直白點(diǎn)說(shuō)，就是如何將氫彈一瞬間爆發(fā)的能量，像太陽(yáng)一樣，讓其緩緩均勻流淌。我們很自然地會(huì)想到，太陽(yáng)是如何實(shí)現(xiàn)聚變約束的，復(fù)刻不就行了嗎？

太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)使其核心區(qū)壓力巨大（約是2500億個(gè)地球大氣壓），并產(chǎn)生巨大的向外壓力，而這個(gè)由熱核反應(yīng)產(chǎn)生的向外壓力，與外層質(zhì)量因引力而產(chǎn)生的向內(nèi)壓縮力形成抗衡。正所謂大道至簡(jiǎn)，巧妙的“左右互搏”讓太陽(yáng)的核聚變反應(yīng)異常穩(wěn)定。

但很顯然，我們無(wú)法把上述條件復(fù)刻到地球上來(lái)。因此在地球上的“人造太陽(yáng)”約束路線還需另想辦法，目前全球正在研究的可控核聚變技術(shù)路線，主要包括磁約束(Magnetic Confinement Fusion，簡(jiǎn)稱MCF)和慣性約束(Inertial Confinement Fusion，簡(jiǎn)稱ICF)。

磁約束，顧名思義，需要用磁場(chǎng)來(lái)約束聚變物質(zhì)，目前最常見(jiàn)的裝置為托卡馬克、仿星器等。比如該路線的主攻方向之一采用托卡馬克（Tokamak）裝置，這是一種環(huán)形容器，用磁場(chǎng)形成一個(gè)“磁籠”將等離子體束縛住，創(chuàng)造氘、氚實(shí)現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫，實(shí)現(xiàn)受控核聚變。這種裝置又稱環(huán)磁機(jī)，名字來(lái)源于其的關(guān)鍵詞——環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈（kotushka）。   

當(dāng)前國(guó)際上具有代表性的托克馬克裝置包括美國(guó)DIIID、歐洲的JET、日本JT-60、我國(guó)的EAST和HL-2M等。此外，由多國(guó)合作建設(shè)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃也是基于超導(dǎo)托卡馬克，中國(guó)是該項(xiàng)目的主要成員方之一。

慣性約束路線，則是利用內(nèi)爆產(chǎn)生的向心運(yùn)動(dòng)物質(zhì)的慣性來(lái)約束高溫?zé)岷巳剂系入x子體。有點(diǎn)類似太陽(yáng)那種雙力“左右互搏”的味道，可用于慣性約束的驅(qū)動(dòng)器主要包括高功率激光裝置、Z箍縮裝置和重離子束裝置等。

從技術(shù)角度來(lái)看，目前國(guó)際慣性約束聚變研究的重點(diǎn)是激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變(Laser Inertial Confinement Fusion，簡(jiǎn)稱LICF)。LICF用超大功率激光器產(chǎn)生激光束，射向一個(gè)含氘氚的氫球形靶丸上使其崩潰，并產(chǎn)生1億攝氏度左右的高溫，從而觸發(fā)氫原子聚變，釋放大量能量。

這次大新聞的主角——美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF)正是LICF領(lǐng)域的代表性裝置。我國(guó)的神光系列和法國(guó)LMJ 裝置也是LICF的代表性裝置。值得一提的是，“神光-III”主機(jī)裝置的建成標(biāo)志著我國(guó)高功率固體激光技術(shù)進(jìn)入全新的歷史階段，使世界慣性約束聚變研究形成美、中、歐三足鼎立之勢(shì)，是顯示我國(guó)綜合國(guó)力和核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志之一。

NIF點(diǎn)火：拋開(kāi)能源屬性，還有何“弦外之音”？

回到美國(guó)的NIF。NIF于2009年建成，2010年開(kāi)始進(jìn)行點(diǎn)火物理實(shí)驗(yàn)。該裝置的設(shè)計(jì)目的是用于驗(yàn)證聚變點(diǎn)火和燃燒獲得中等增益。其設(shè)計(jì)輸出能量1.8 MJ，最大功率520TW，激光波長(zhǎng)351nm。在NIF裝置建設(shè)的同時(shí)，美國(guó)于2006年啟動(dòng)“國(guó)家點(diǎn)火攻關(guān)計(jì)劃”(National Ignition Campaign，簡(jiǎn)稱NIC)，用于實(shí)施與點(diǎn)火物理相關(guān)的理論、實(shí)驗(yàn)和制靶等研究。

NIF裝置部分外觀

NIF裝置當(dāng)年的修建現(xiàn)場(chǎng)（1997）

NIF裝置全貌

從原理上考量，LICF核聚變可以簡(jiǎn)化為四個(gè)階段：強(qiáng)光輻照、內(nèi)爆壓縮、聚變點(diǎn)火和聚變?nèi)紵?。即，通過(guò)激光束(或X光)快速加熱靶丸表面，形成一個(gè)等離子體燒蝕層；利用靶丸表面熱物質(zhì)向外噴發(fā)，從而反向壓縮燃料；聚變點(diǎn)火則是通過(guò)向心聚爆過(guò)程，使DT核燃料達(dá)到高溫、高密度狀態(tài)；聚變?nèi)紵菬岷巳紵诒粔嚎s燃料內(nèi)部蔓延，聚變放能大于驅(qū)動(dòng)能量，獲得能量增益。

劃重點(diǎn)，能量增益，這也是本次NIF實(shí)驗(yàn)的核心里程碑。

NIF建成后的實(shí)驗(yàn)取得了巨大進(jìn)展，諸多關(guān)鍵物理參數(shù)在不同發(fā)次達(dá)到或接近達(dá)到點(diǎn)火靶設(shè)計(jì)指標(biāo)。但是，聚變點(diǎn)火相關(guān)的關(guān)鍵物理參數(shù)未能在同一發(fā)次達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，且部分指標(biāo)低于預(yù)期。

美國(guó)“國(guó)家點(diǎn)火攻關(guān)計(jì)劃”結(jié)束后，繼續(xù)在NIF裝置上開(kāi)展點(diǎn)火物理研究，核心目標(biāo)之一就是能量增益。我們常說(shuō)的能量增益，全稱是聚變能量增益因子（Fusion energy gain factor），通常用符號(hào)Q表示，是核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生能量與維持反應(yīng)器等離子體穩(wěn)態(tài)的輸入裝置能量之比。

當(dāng)Q=1，聚變反應(yīng)所釋放的功率等于維持反應(yīng)所需的加熱功率時(shí)，稱為收支平衡。我們至少需要Q>1，才能實(shí)現(xiàn)能源增益。當(dāng)然這是理想情況，也就是所謂的“科學(xué)收支平衡”，此外還有工程收支平衡、經(jīng)濟(jì)收支平衡和推斷收支平衡。聚變堆商用必須一座一座地越過(guò)這幾個(gè)收支平衡大山。

比如，考慮到工程中的各種能量損失，在至少達(dá)到Q=5之前，聚變反應(yīng)堆中的自熱預(yù)計(jì)不會(huì)達(dá)到反應(yīng)堆輸入功率。當(dāng)增加到Q=5以上，自熱的增加令反應(yīng)堆不再需要外部加熱輸入能量以維持反應(yīng)。在此之后，聚變反應(yīng)開(kāi)始自我維持，這種情形被稱為聚變點(diǎn)火。

對(duì)于Q值的突破，NIF已進(jìn)行了多次核聚變實(shí)驗(yàn)，最好的成績(jī)是產(chǎn)出和投入能量比為70%，仍然是凈能量損失。

這次的不同之處在于，核聚變反應(yīng)產(chǎn)生了大約2.5兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%，輸出能量大于輸入能源。于是美國(guó)媒體對(duì)此給予高度稱贊，將其形容為“幫助人類在實(shí)現(xiàn)零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步”。美國(guó)能源部部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆在記者會(huì)上強(qiáng)調(diào)“這是一項(xiàng)里程碑式的成就”，“將以商用化為目標(biāo)，制定雄心勃勃的十年戰(zhàn)略方案”。

實(shí)際上，Nature于2014年2月12日發(fā)表的一篇文章《Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion》就已宣布NIF首次實(shí)現(xiàn)了受控核聚變能量增益大于1的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)也被視為巨大里程碑。

不可否認(rèn)，每一次Q值的突破都是里程碑，但這是科研上的進(jìn)展，離產(chǎn)生上百倍的高增益目標(biāo)還差得很遠(yuǎn)，更別說(shuō)變成真正清潔、無(wú)限能量的“人造太陽(yáng)”。

太陽(yáng)之所以是太陽(yáng)，是因?yàn)樘?yáng)每天照常升起艷陽(yáng)高照，恒星之所以是恒星，是因?yàn)楹阈堑陌l(fā)光發(fā)熱在人類時(shí)間尺度來(lái)看，是永恒的。核裂變之所以能實(shí)現(xiàn)商用，正是因?yàn)槠淠茉丛床粩嗟胤€(wěn)定輸出能量。

放下聚變Q值，我們理性回歸到另外一個(gè)核聚變關(guān)鍵概念，聚變?nèi)胤e：等離子體密度、約束時(shí)間、溫度的乘積。我們常說(shuō)的勞森判據(jù)往往指的是三重積要高于某閾值，勞森判據(jù)是衡量核聚變的品質(zhì)參數(shù)。

勞森判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

從此圖中可以看出，目前所有聚變裝置離三重積目標(biāo)都還有一段距離。聚變研究者希望提高勞森判據(jù)，就這三個(gè)參數(shù)逐個(gè)提升指標(biāo)。但顯而易見(jiàn)的一點(diǎn)是，溫度密度越高就越難以約束，因此三者同時(shí)提高是一個(gè)極其困難的任務(wù)。

今年8月，《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》發(fā)表了一篇關(guān)于NIF的論文《在聚變實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)勞森準(zhǔn)則的點(diǎn)火》。研究者報(bào)告他們產(chǎn)生了一種等離子體，其中產(chǎn)生的熱量不僅超過(guò)了外部加熱而且超過(guò)了所有損失，幾乎滿足了所謂的聚變點(diǎn)火勞森準(zhǔn)則，非常接近該領(lǐng)域的“圣杯”——通過(guò)聚變產(chǎn)生比驅(qū)動(dòng)激光脈沖中包含的凈能量更大的凈能量。

美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置團(tuán)隊(duì)用192束激光束，向一個(gè)微型燃料顆粒輸送了205萬(wàn)焦耳的激光能量，點(diǎn)燃核聚變?nèi)剂希罱K產(chǎn)生了315萬(wàn)焦耳的聚變能量輸出——增益約為150%。成功地令氫原子發(fā)生聚變，在100萬(wàn)億分之一秒內(nèi)釋放1.3兆焦耳的能量，即10千萬(wàn)億瓦的功率。

然而，這只是一次在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的原理驗(yàn)證水平上的成功。每次工作時(shí)間只有20-30納秒，發(fā)出的電量實(shí)際上只是“相當(dāng)于燒開(kāi)10壺水”。從能量總量上來(lái)看，持續(xù)時(shí)間還太短了，此外，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室原則上每天大約可以產(chǎn)生一次這種結(jié)果——聚變發(fā)電廠需要每秒產(chǎn)生十次。

這樣看來(lái)，兩者的距離是不是依然如同天塹一般？

科技發(fā)展就是這樣，不積跬步無(wú)以至千里。讓我們看看另外一條路線——磁約束托卡馬克的發(fā)展歷程：

在1970年，蘇聯(lián)托卡馬克裝置T-3上實(shí)現(xiàn)了核聚變能量輸出，能量增益因子Q值為十億分之一，等離子體約束以毫秒計(jì)算。

1997年9月22日，聯(lián)合歐洲環(huán)JET創(chuàng)造輸出功率為12900千瓦的世界紀(jì)錄，Q值達(dá)0.60，持續(xù)時(shí)間2秒。

2021年5月28日，我國(guó)的EAST實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)的1.2億度101秒等離子體運(yùn)行和1.6億度20秒等離子體運(yùn)行，再次創(chuàng)造托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行新的世界紀(jì)錄，為核聚變發(fā)電奠定了堅(jiān)實(shí)的物理和工程基礎(chǔ)。這個(gè)溫度也大大超過(guò)了太陽(yáng)的中心溫度（約1500萬(wàn)度）。

2006年啟動(dòng)的ITER的目標(biāo)是產(chǎn)生50萬(wàn)千瓦的聚變功率，離子溫度1.5億度，維持至少400秒，放電3000秒，能量增益Q＞10。

核聚變行業(yè)有一個(gè)比較刺耳的“永遠(yuǎn)的五十年”的笑話。造成這個(gè)笑話的原因，部分源于某些科研工作者的激進(jìn)思維，也與某些媒體的錯(cuò)誤導(dǎo)向有關(guān)。

在美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）這樣的激光慣性約束聚變中，材料問(wèn)題不是主要問(wèn)題，畢竟反應(yīng)的靶丸（capsule）非常小，但反應(yīng)不具有可持續(xù)性是很大的問(wèn)題，且反應(yīng)能量的輸出和轉(zhuǎn)移目前沒(méi)有托卡馬克成熟。

發(fā)布會(huì)上，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任金·布迪爾坦言，如果想將這一成果商業(yè)化，核聚變技術(shù)仍有“重大障礙”需要克服，可能還需要幾十年的努力和投資。包括實(shí)現(xiàn)每分鐘完成多次聚變點(diǎn)火，并擁有穩(wěn)健的驅(qū)動(dòng)程序系統(tǒng)等。

拋開(kāi)能源屬性和價(jià)值，還可以從另外一個(gè)角度來(lái)看該事件。

NIF由美國(guó)能源部下屬管理核武器的國(guó)家核安全局負(fù)責(zé)運(yùn)行，它的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)能產(chǎn)生高能量的聚變反應(yīng)，并為美國(guó)核武器儲(chǔ)備的維護(hù)提供指導(dǎo)。這可以幫助美國(guó)繞過(guò)因《全面禁止核試驗(yàn)條約》而停止的地下核試驗(yàn)，轉(zhuǎn)而以較小的規(guī)模進(jìn)行核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并從中收集數(shù)據(jù)。

美國(guó)能源部部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆在發(fā)布會(huì)上稱，NIF的突破性成果有助于美國(guó)“在不進(jìn)行核試驗(yàn)的情況下維持核威懾力”。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的武器物理和設(shè)計(jì)項(xiàng)目主任馬克·赫爾曼表示，該實(shí)驗(yàn)本身創(chuàng)造的非常極端的環(huán)境，更加接近于核武器爆炸。

核能領(lǐng)域向來(lái)具備軍民兩用屬性，如果該實(shí)驗(yàn)的定位不僅僅是聚變能的商用呢？正如杜祥琬院士所指出的，“該實(shí)驗(yàn)的定位不是商用的能源裝置，美國(guó)此次開(kāi)展的激光能可控核聚變，根本目的是研究核武器相關(guān)的物理問(wèn)題?！?/p>

如果是出于核武器研究，那么前文所提及的持續(xù)時(shí)間、能量導(dǎo)出等問(wèn)題，就都不是問(wèn)題了。

因此，針對(duì)這次NIF的里程碑成果，從能源角度來(lái)看，可以讓子彈再飛一會(huì)兒；但是從核武器角度來(lái)看，則有些發(fā)人深思了。

（作者系國(guó)內(nèi)核聚變領(lǐng)域研究人員。）