在科技日新月異，創新和顛覆節奏越來越快的今天，你或許很難想象：一項技術的突破，居然要花費超過半個世紀的時間……而在今天，美國政府就宣布了這樣一項，用了整整七十年才實現的重大的技術突破。上周一12月5日，美國科學家完成了歷史上首次達到科學能量平衡的可控核聚變實驗。

在這次實驗中，團隊使用高能激光射向一個燃料倉，點燃其中高壓保存的燃料球。激光能量高達2.05兆焦，而核聚變產生了大約3.15兆焦的能量。

(資料圖片)

這意味著人類在可控核聚變實驗中，首次首次超出了聚變閾值，實現了大于1的能量增益（也即從聚變中產生的能量，比用于驅動它的激光能量更多）。

更重要的是，這次實驗首次證明了慣性約束聚變作為核聚變兩大主流方案（另一個是磁約束，也即所謂的托克馬克裝置）之一的最根本科學基礎。

所以，你可以將這次實驗的成功，理解為慣性約束核聚變的“從0到1”。從此之后，更多來自公立和私營部門的資金、研究力量，可以更加大膽地進入慣性約束聚變方面的科研和投資，謀求加速攻克更多的科研難關，在短短的二十，甚至十年內，實現慣性約束聚變的可規模化。

美國能源部長 Jennifer Granholm 指出，這次實驗的成功，是在核聚變研究，在核技術，在能源史上都極為重要的里程碑事件。

本次實驗所在的勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室主任Kim Budil 博士則表示，“在實驗室中實現聚變點火，是人類有史以來應對的最重要科學挑戰之一。這次能夠實現它，是我們在科學，在工程上的一次全人類的勝利。”

而對于本次實驗的成功，Budil 博士對高能激光所扮演的地位給予了幽默的評價：

“就像大家知道的那樣，我們的實驗室簡稱 LLNL，其實是‘Lasers, Lasers, Nothing but Lasers’ 的意思……”

白宮首席科學顧問 Arati Prabhakar 博士，更是感慨萬千：“在我19歲的時候，我就在這個實驗室實習過，當時他們給了我一根‘激光筆’玩，那個夏天我過得非常充實。后來我離開了這里，去做了其它更不值得一提的工作。但我的同事們，以及他們的后輩和后輩的后輩，卻從未停止嘗試……他們獲得過驕人的成績，也歷經了無數令人難以置信的挑戰和痛苦——今天的我們都已經白了頭發，但他們從未放棄這一目標，直到上周……我相信這是一個關于‘堅持’的最佳例證。”

接下來，讓我們來深入淺出地了解一下，這次意義無比重大的可控核聚變實驗，這場長達60年的追逐，到底是怎么一回事。

發生了什么？

在上周一12月5日，在位于硅谷利弗莫爾 (Livermore, CA) 的美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 內部的國家點火裝置(NIF)，進行了一次通過激光觸發的慣性約束核聚變 (ICF) 點火實驗。

為了實現聚變點火，科學家使用了總計192束高能激光，射向裝有氘﹣氚（讀作dāo-chuān）燃料球的環空器。

環空器 (hohlhraum) 是一種圓筒形器皿，頭尾兩端開孔，內壁涂有黃金等特殊涂層。在下圖中，美國核安全局副局長 Marvin Adams 展示了實驗所用的環空器（同款）。

注意，環空器其實并非他手中的“玻璃杯”，而是在里面裝著的另一個小筒，大概只有手指指節的大小，如他的左手所示：

在 NIF 的實驗中，科學家將燃料球裝在環空器內并進行加壓，然后通過環空器兩端的孔洞射入激光，照射環空器的內壁。

特殊涂層被加熱到大約300萬℃的高溫，發出強烈的 X 光束，進而照射在燃料球上。

燃料球的外層被X光照射，產生爆裂。其反作用力會以震波的形式繼續向內部傳播，使得內部的氘﹣氚元素形成高壓高溫，產生自發性的燃燒，導致內爆（能量和物質快速對稱地向內聚合），并連鎖觸發聚變反應。

至于為什么用激光照射內壁，而非直接轟擊燃料球：前者產生的X光可以更加均勻地覆蓋到燃料球的表面，使得表層的的爆裂更加均勻，從而時間更加一致，使得聚變反應的效率更高。效率越高，離正能量增益（大于1的能量增益）就越近。

——以上的過程，就是高能量慣性約束聚變的基本過程。它的用時極短，只有大約幾十甚至上百萬分之一秒。它的尺度也很小，畢竟燃料球只有“一枚花椒粒”那么大。

但是，也正是在這個極短的過程中，這個環空器內，其實模擬了一顆微小的恒星。

為什么重要？

這樣的實驗，在 NIF 并非第一次進行。事實上，該實驗室在過去已經進行過“無數次”可控聚變實驗了。

然而本次實驗的重要性在于：

就是聚變產生的能量，比觸發聚變所消耗的科學能量更高。也就是說，用這種做法來產生能源，值了！

具體來說，實驗總計使用了大約300兆焦的電能，聚焦到高能激光束的輸出達到了2.05兆焦，而通過科學的觀測手段取得的實驗結果顯示，瞬時聚變產生的能量達到了3.15兆焦。

產生的能量，除以激光輸出的能量，結果大于一，這種情況在科學上稱為“科學能源盈虧平衡” (scientific energy breakeven)。

而在過去，無論是 NIF/LLNL，還是歐洲的公立研究機構，以及全世界各國各種各樣的私營研究機構，進行的所有可控聚變實驗，都從未實現過盈虧平衡——說白了，就是“為了發電，反而用了更多的電”。

美國知名科普作者、天體物理學家 Neil deGrasse Tyson 表示：

“你獲得的能量比你投入的能量更多——我們終于來到了這一天。”

正如前面提到，核聚變是讓氘﹣氚在高溫高壓環境下出現聚合反應，過程中釋放出氦，而副產品則是以中子形態存在的天量能量。太陽就是一個氫核聚變的恒星。人類對這一產生能量方式的研究已經持續百年，更是通過核彈的引爆，早已掌握了具體融合原子使其聚變的技術。

然而問題是，人類在很長時間里一直無法控制聚變的反應。

核聚變研究從上世紀50年代就已經開始，但進展一直非常緩慢（以至于過去隨便一點小成績都值得大書特書）。在過去，最大的挑戰是高溫問題難以解決。

具體來說，科學家需要在實驗室環境內創造出像太陽那樣的極高溫、高壓的環境，才能讓燃料加熱到離子化產生聚變。然而一般容器無法應付如此高的溫度，需要對容器和反應進行“約束”，放置離子溢出容器。

故而科學家們逐漸演化出了兩種主流的方案：磁約束和慣性約束。本次 NIF 實驗就屬于后者。

除了對核聚變的可控之外，實現能量盈虧平衡則是另一大難題。

大家可能還記得，我們在前一小節提到，NIF 實驗人員對激光照射反應邏輯和對環空器的設計，都是為了提高聚變反應的效率，讓燃料球“內爆”的再快一點。

為什么要提高效率？因為如果效率能夠超過某個閾值，就會出現一種極為特殊的情況：產生的能量超過輸入的能量，也即實現大于1的能量增益（正能量增益）

這樣的情況，在過去難以實現。科學家們花了整整70年，距離這個目標卻一直非常遠：比如在2013年10月15日，NIF 的某一次前序測試才勉強實現了0.0078的能量增益，比正能量增益的1/125還不如。

而在十年后，NIF 終于跨過了正能量增益這一里程碑：在不到10納秒（1秒=十億納秒）的時間里，整個燃料球完成了它的聚變反應，并實現了超過1的能量增益——這當然是件非常值得令人興奮的事情。

“這注定將成為21世紀最令人印象深刻的科學壯舉之一。”美國能源部長 Granholm 表示。

什么時候商業化？聚變核電站？

在本次事件中，大家主要要看的是能量產出3.15兆焦和能量輸入2.05兆焦這兩個數字之間的對比。但是，這并不意味著前面那個300兆焦的“插座用電”就不重要。

你可以這樣理解：為了讓這個“激光筆”啟動，我們需要把它插到“插座”上，盡管“激光筆”照射目標用了兩度電，“電表公司”卻告訴我們實際上的電網流量是300度……

在科學上，我們應該聚焦于正能量增益這一決定性的事實。但是從實際應用，從商業化的角度，我們當然也要關注300兆焦——百倍耗電的問題。

LLNL主任Budil 博士對此回應：我們的計算預測顯示，可以通過規模化和合理安排激光裝置的方式，來實現百倍增收，也即獲得數百兆焦的能量產出。研究團隊有一個理論路徑去實現那樣的未來，但距離它還非常非常的遠。

“（即便考慮今天的成就，）我們仍然還有著許多非常巨大的難題沒有解決。這些問題不只是科學上的，還有技術上的，”LLNL 主任 Budil 博士指出，“我們只是成功點火了一個燃料倉，就這么一次。”

而想要實現這一可控核聚變技術的商業化，還有很多問題需要解決。比如如何把這種單次的聚變，變成多次、可持續的聚變，今天的科學家還有許多要素并不具備。

“我想距離那樣的未來，可能還要數十年的時間，”，Budil 表示，“但是我想應該不是60年，也不是50年……我想，只要有各部門各界各行業的通力合作，對底層技術進行進一步研究和開發……可控核聚變發電站的落成，也許我們有生之年可以看到。”

能源部長 Granholm 則表示，目前拜登政府的能源政策和施政綱領中的確有提及對可控聚變核電站進行研究，但目前尚無新的進展可以分享。毫無疑問，通過清潔、安全、先進的核聚變方式進行發電是一個非常有價值的方向，不過目前遠未達到可行性研究的階段。

不過 Granholm 也強調，在可控核聚變發電技術方面，美國政府非常需要并且歡迎民間資本的介入：

“在研究的前期，美國財政的研究支持對于取得今天這樣的成績尤為關鍵，但在之后我們要走的路上，需要公共研究和民間研究齊頭并進。我們非常支持對這一領域感興趣的民間資本，比如投資群體和創業公司，和我們一起努力在未來（幾）十年內打造出可工作的可控核聚變發電站。”

雖然這位能源部長更為樂觀，一個需要明確的事實是：今天 NIF 的研究人員剛剛取得高于1倍的能源效益。

而在核聚變發電站的典型設計中，對磁約束方案的能源效益要求是至少30倍，慣性約束方案至少70倍；常規的裂變式核電站的能源效益更是極高，以美國為例，全國只有54座核電站、92枚反應堆，卻供應了全國接近五分之一的電力。

未來的路的確很長。

過去一周，NIF 的所有團隊的成員都在非常辛苦地檢查實驗數據，對實驗結果進行驗證。

“你們會發現，當你點燃一個小燃料倉的時候，發生了一件很小但又很大的事情……但是與之相關的實驗數據卻并不‘小’，我們所有團隊所有熟悉業務和數據的成員都需要來檢查和驗證這些數據，”Budil 博士表示，不僅內部人員參與，在得到了令他們驚訝的結果之后，他們還必須找了外部專家團隊來進行獨立驗證。

正是這些極其繁瑣、仔細、相互獨立的數據驗證工作，才能讓科學家們確認，他們完成了一項長達70年都沒有實現的關鍵使命，終于實現了那個讓一代又一代物理學家、化學家、計算機科學家們前仆后繼的“奇跡”。

“告訴大家發生了什么很重要，把事實和證據給大家看更重要。”

對磁約束有何意義？

Budil 博士指出，作為核聚變的兩種主要實現技術方案，磁約束和慣性約束在一些數據分析檢測方面有些共同點，但在技術原理和實驗場景上還是有著本質的區別。

簡單來說，磁約束聚變主要是低壓低溫的持續環境，而慣性約束是高能高壓高溫的瞬時環境——注意這里的持續和瞬時之間區別其實不大，可能無非也是幾百納秒和幾納秒之間的差異。兩種技術方案的研究推進，對于未來人類實現通過可控核聚變進行發電都有著關鍵意義。

不過從顯示情況來看，由于磁約束方案的研究時間更長，研究力量更多元化（國家、公/私），磁約束方面的核電站概念開發進度目前更“遠”一些，距離落實可能更近一些。

“激光，激光，全都是激光”

對于家住南灣/東灣的朋友來說，對 Livermore 的印象可能就是奧特萊斯。其實，美國最重要的一座大型公立研究實驗室——勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室，也坐落于這里。

勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）落成于1952年，是美國冷戰策略的產物，為了打造最先進的核武器、推進核科學和技術的研究和應用而建立。

不過到了今天，這個實驗室已經發展出了一系列多元化的研究方向，包括軍工武器和復雜融合、網絡安全、物理、生物安全、反恐、超級計算等。

比如，美國西海岸最大的超算集群之一，就坐落于 LLNL。在超算歷史上占有一席之地的 IBM 紅杉超級電腦，因為屬于美國國家核安全局高級仿真和計算機化的一部分，也受 LLNL 實驗室的管理。

而承擔了本次實驗的“國家點火裝置”(NIF) 和光粒子科學部門，正是整個 LLNL 旗下最重要和歷史最悠久的部門，沒有之一。

NIF 是整個美國最大規模、能量最強的激光系統。其占地面積相當于一個美式橄欖球體育場，總共有192套獨立/可合作的激光束生成設施——所以這次實驗，可以說是“火力全開了”。

這也是為什么 Budil 主任幽默地表示，LLNL的全稱其實是“Lasers, Lasers, Nothing but Lasers.”

“對于 NIF 的研究人員和工作人員來說，這是一個具有里程碑意義的成就。他們的醫生致力于使得核聚變點火成為現實，這次實驗無疑將激發更多的發現。”能源部長 Granholm 表示。

本文作者：杜晨，來源：硅星人，原文標題：《人類“盜火”時刻：可控核聚變首次輸出超過輸入，聚變核電時代來臨》

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關鍵詞： 能源部長 國家實驗室 聚變反應