每經(jīng)記者 李孟林    每經(jīng)編輯 高涵    

當?shù)貢r間12月13日，美國能源部宣布，美國科研人員在研究核聚變能源方面取得重大突破。據(jù)路透社援引消息人士稱，位于加利福尼亞州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科研人員在一次使用激光的核聚變實驗中，首次實現(xiàn)了凈能量增益。

自1958年科學家向世界公布核聚變研究以來，人類孜孜不倦地希望通過在地球上復制核聚變的過程，來獲得幾乎無限的清潔、安全和廉價的能源。而在此之前，科學家遲遲未能攻克第一道攔路虎：如何讓核聚變產(chǎn)出的能量大于觸發(fā)反應(yīng)所投入的能量。

因此，在美國能源部證實美國科學家已經(jīng)實現(xiàn)了核聚變產(chǎn)出大于投入的“凈能量增益”后，立刻引發(fā)了科學界的轟動。在世界正面臨化石能源導致的氣候危機之下，坊間更有樂觀的議論認為，一勞永逸地解決能源問題已經(jīng)出現(xiàn)曙光。據(jù)美國能源部，實驗產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

科學家指出，此次實現(xiàn)的凈能量增益是數(shù)十年來最重要的科學成果之一，是對核聚變原理的概念驗證，但人類離用上核聚變能還有很長的路要走，能量增益的規(guī)模還需要大幅提高才能考慮轉(zhuǎn)化為電力的事情。

英國核聚變公司First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker在采訪中對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，這次實驗結(jié)果對各國的能源轉(zhuǎn)型政策短期內(nèi)并無影響，核聚變并不是解決氣候變化的靈丹妙藥，但可以在未來的清潔能源結(jié)構(gòu)中，扮演維持基本負載電力的重要角色。

核聚變技術(shù)的“歷史性突破”？業(yè)內(nèi)人士：核心物理學原理已被攻克

當?shù)貢r間12月13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室，首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)了凈能量增益。據(jù)悉，實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，產(chǎn)生的能量比投入的能量多50%以上。

“這是過去二三十年來最大的科學成果之一，” 貝爾法斯特女王大學研究激光和等離子物理學的Gianluca Sarri表示。

要理解這項成就的重要性，就得知道實現(xiàn)增益的難度。據(jù)國際原子能機構(gòu)，核聚變是兩個輕原子核結(jié)合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程，這一過程發(fā)生在一種叫作等離子體的物質(zhì)狀態(tài)中。在地球上，人類需要超過1億攝氏度的溫度和強大的壓力，才能促成氘（重氫）和氚（超重氫）的混合物發(fā)生核聚變，而且還需要將等離子體和聚變反應(yīng)保持足夠長的時間，才能獲得凈能量增益。

圖片來源：國際原子能機構(gòu)

LLNL實驗室采用了一種名為慣性約束聚變的路徑。在發(fā)布會上，美國國家核安全局官員Marv Adams用簡單的語言解釋了該實驗室“國家點火設(shè)施”的實驗過程：規(guī)模相當于三個足球場的192個激光器組合，從兩端向一個圓柱體發(fā)射激光束，將能量注入，而圓柱體中一個僅有半個氣槍BB彈大小的靶丸受到擠壓，球內(nèi)的氘氚聚變?nèi)剂媳?ldquo;點燃”，產(chǎn)生出能量。整個聚變過程發(fā)生速度極快，比光運動一英尺（2.54厘米）的時間還快。

國家點火設(shè)施實驗過程 圖片來源：美國能源部

國家點火設(shè)施此前已經(jīng)多次重復了這一過程，最好的成績是產(chǎn)出和投入能量比為70%，仍然是凈能量損失。這一次的不同之處在于，聚變?nèi)剂系某邷?、能量密度和維持的時間都達到了臨界標準，最終達成了點燃的效果，產(chǎn)生出了更多的能量。

“這一結(jié)果是慣性約束聚變作為發(fā)電技術(shù)的分水嶺時刻。長期以來，（激光沖擊的）目標產(chǎn)生能量增益就是衡量成功的標準，它意味著核心的物理學原理已經(jīng)被攻克，”英國核聚變公司First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，“從這一結(jié)果到發(fā)電的物理學路徑是非常清楚的，而且風險大大降低了。”

核聚變作為能源來源的優(yōu)點十分突出。首先是極大的能量密度。據(jù)國際原子機構(gòu)，核聚變產(chǎn)生的能量是核裂變（目前使用的核電技術(shù)）的四倍，理論上，只需要幾克氘氚反應(yīng)物，就有可能產(chǎn)生一萬億焦耳的能量，這大約是發(fā)達國家的一個人在60年內(nèi)所需要的能量。其次，和核裂變一樣，核聚變不會向大氣中排放二氧化碳或其他溫室氣體。

First Light Fusion的首席財務(wù)官David Byron對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，作為能源生產(chǎn)方式，核聚變擁有核裂變的所有優(yōu)點，同時又能避免后者的很多缺點。

“核聚變不會存在核反應(yīng)堆融毀的情況，從本質(zhì)上來說就很安全。簡單來說，核裂變反應(yīng)堆的功能是控制能量釋放的速度，避免其失控；核聚變則相反，它需要創(chuàng)造聚變發(fā)生的條件，假如停止投入聚變?nèi)剂?，或者沒有合適的高溫條件，聚變反應(yīng)自己就停止了，”David Byron解釋道。

此外，核聚變過程中不會出現(xiàn)制造武器級別的材料。對于很多沒有核武器的國家而言，由于核裂變技術(shù)的出口管制，他們無法發(fā)展核能，但核聚變就不存在這個問題。核聚變也不會產(chǎn)生長時間的放射性核廢料，不需要花幾代人來清理。“因此核聚變技術(shù)有望幫助更多國家擺脫貧困，” David Byron補充道。

人類距離用上核聚變能源還有多遠？

如果人類有一天能大規(guī)模應(yīng)用核聚變作為能源，無疑意味著地球能源結(jié)構(gòu)翻天覆地的重構(gòu)。此次核聚變實現(xiàn)凈能量增益，讓我們離這一天還有多遠呢？科學界認為，要用上核聚變能，需要經(jīng)歷實驗室點火和燃燒、聚變發(fā)電演示和商用發(fā)電三個階段，目前我們還處于第一階段，而且還有很多挑戰(zhàn)尚未解決。

“在協(xié)同的努力和投資之下，對底層技術(shù)再進行數(shù)十年的研究，我們或許可以開始建造（核聚變）發(fā)電廠，” LLNL實驗室的主任Kim Budil在發(fā)布會上預(yù)測，“還存在很多科學和技術(shù)上的重大挑戰(zhàn)。這次只是一次性點燃一個靶丸，要實現(xiàn)商用聚變能，需要達成每分鐘非常非常多次的聚變點燃，而且還需要強大的驅(qū)動系統(tǒng)才能實現(xiàn)。”

牛津大學物理學教授、LLNL實驗室核聚變項目的咨詢專家Justin Wark對科學傳播組織SMC表示，LLNL實驗室理論上可以每天重復一次類似的點燃成果，但核聚變電廠需要的是每秒鐘十次。

另一方面，凈增益能量也需要大幅提高。劍橋大學核能講師Tony Roulstone對SMC表示，根據(jù)《金融時報》當時報道的數(shù)據(jù)，實驗室為產(chǎn)生激光而投入了500兆焦的能源，最終輸送到靶丸上的能源才1.8兆焦，雖然最后實現(xiàn)了凈能量增益（2.5兆焦），但從整個過程來看，實際上產(chǎn)出只占投入的0.5%。從工程學的角度而言，最終需要產(chǎn)出的能量為投入激光組能量的兩倍才算達到目標，因為從聚變熱能轉(zhuǎn)化為電力的過程中還會產(chǎn)生能量損失。

“因此可以說，國家點火設(shè)施的實驗結(jié)果是一項科學上的成功，但離提供可用的、充足的清潔能源還有很長一段路要走，” Tony Roulstone表示。

假如核聚變還需要數(shù)十年才能投入應(yīng)用，那么它對于應(yīng)對迫在眉睫的氣候變化可能無法發(fā)揮重要作用。

科學倡導組織憂思科學家聯(lián)盟（Union of Concerned Scientists）的核能安全主管Ed Lyman對政治新聞網(wǎng)Politico表示：“不是說要貶低他們的成就，但還是得謹慎看待。（核聚變）對于實現(xiàn)脫碳而言晚得不是一點點。我們需要在接下來的一二十年努力脫碳，而就算根據(jù)最樂觀的預(yù)估，核聚變能也要2040年代才能出現(xiàn)。”

First Light Fusion毫無疑問屬于樂觀派。首席財務(wù)官David Byron對《每日經(jīng)濟新聞》記者表示，公司預(yù)計在2030年代早期到中期，就可以修建并入電網(wǎng)的核聚變電站試點項目，也就是說還有十年的時間。

這一時間節(jié)點也是很多核聚變產(chǎn)業(yè)人士的預(yù)測，不過核聚變的布局時間線并不可靠。早在2012年，國家點火設(shè)施的主管曾預(yù)測十年內(nèi)聚變技術(shù)就能達到商業(yè)可行性，但現(xiàn)在這個時間點已經(jīng)差不多過去了。

First Light Fusion創(chuàng)始人Nick Hawker對每經(jīng)記者坦承，對于能源領(lǐng)域而言，本次實驗結(jié)果不會產(chǎn)生直接的影響，必須繼續(xù)投入風能、太陽能等可再生能源。“這不是解決氣候變化的靈丹妙藥，但是我們需要清潔的基本負載電力，這是核聚變發(fā)揮作用的地方，” Nick Hawker表示。

David Byron補充解釋說，我們需要盡可能多的風能和太陽能，但由于選址和土地使用等因素限制，可再生能源無法完全滿足人類的需求。此外，受自然條件影響，可再生能源還有間歇性的問題，因此人類需要能24小時持續(xù)滿足電網(wǎng)系統(tǒng)最低電力需求（基本負載電力）的發(fā)電廠，這就是核能（包括裂變和聚變）發(fā)揮作用的地方。由于核聚變安全性更好，監(jiān)管批準的負擔比核裂變發(fā)電廠要小很多，因此未來將發(fā)揮重要作用。

封面圖片來源：美國能源部