實習(xí)記者 王詩涵

當(dāng)?shù)貢r間12月13日，美國能源部正式宣布了一項核聚變的歷史性突破。加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（下稱LLNL）的科學(xué)家于12月5日首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)“凈能量增益（Net Energy Gain）”，即受控核聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量超過驅(qū)動反應(yīng)發(fā)生的激光能量。

這一時刻也被稱為“聚變點火（Fusion Ignition）”，是實現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵步驟。美國能源部稱，這一突破將永遠(yuǎn)改變清潔能源和美國國防的未來。

實驗在LLNL的“國家點火設(shè)施（NIF）”中進(jìn)行。該設(shè)施耗資35億美元，大小近似一個體育場，是世界上最大、能量最高的激光系統(tǒng)。

NIF的反應(yīng)堆是一個基于激光的慣性約束核聚變裝置，使用強(qiáng)大的激光束產(chǎn)生類似于恒星和巨行星的內(nèi)核以及核爆炸時的溫度和壓力。

核聚變是一種人造過程，可以復(fù)制為太陽提供動力的相同能量。核聚變發(fā)生時，兩個輕原子核結(jié)合形成一個較重的原子核，并釋放出大量能量。由于高溫高壓下的聚變反應(yīng)難以精確控制，“凈能量增益”始終是核聚變難以實現(xiàn)的目標(biāo)。

在此次成功實現(xiàn)的聚變點火中，實驗所輸入的能量為2.05兆焦耳，并輸出3.15兆焦耳的聚變能量，超過輸入能量的50%。

LLNL的科學(xué)家們從1988年起研究慣性約束聚變，歷經(jīng)數(shù)十年探索，終于第一次實現(xiàn)了有意義的能量增益。去年，該實驗曾輸出1.37兆焦耳的聚變能量，約占所用激光能量的70%，是NIF裝置此前最接近“凈能量增益”的時刻。

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆（Jennifer M. Granholm）表示，此項突破是一項里程碑式的成就，開啟了一種全新的清潔能源來源。“如果我們能達(dá)到一定規(guī)模，將為實現(xiàn)零碳排放電力目標(biāo)作出一項了不起的努力?！彼f道。

核聚變被認(rèn)為是未來潛在的清潔能源。與目前廣泛應(yīng)用的核裂變相比，核聚變具有不產(chǎn)生核廢料、輻射少、溫室氣體零排放等優(yōu)勢，更為清潔而高效。

目前全球正在研究的可控核聚變技術(shù)路線，主要包括磁約束和激光慣性約束。實現(xiàn)核聚變發(fā)電的兩大難點是實現(xiàn)上億度點火和穩(wěn)定長時間約束控制。

美國NIF走的是慣性約束路線，即用超大功率激光器產(chǎn)生激光束，射向一個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。

磁約束需要利用裝置，用磁場來約束聚變物質(zhì)，目前研究的裝置包括托卡馬克、仿星器、反向場箍縮及磁鏡等。

該路線的主攻方向之一是采用是托卡馬克（Tokamak）裝置。這是一種環(huán)形容器，用磁場形成一個“磁籠”將等離子體束縛住，創(chuàng)造氘、氚實現(xiàn)聚變的環(huán)境和超高溫，實現(xiàn)受控核聚變。這種裝置又稱環(huán)磁機(jī)，名字來源于其的關(guān)鍵詞——環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈（kotushka）。

托卡馬克裝置曾被質(zhì)疑存在安全問題，以及材料問題也是一大挑戰(zhàn)。因為托卡馬克裝置內(nèi)受到電流的控制，一旦電流或磁場中斷，整個反應(yīng)堆將會被破壞，影響安全。

激光慣性約束聚變的主要挑戰(zhàn)則是反應(yīng)如何具有可持續(xù)性，確保反應(yīng)能量的輸出始終大于輸入。

此前，采用托卡馬克裝置的磁約束技術(shù)路線，通常被認(rèn)為主流的核聚變技術(shù)路線，是最有可能率先成功的方式。全球最大“人造太陽”國際熱核聚變實驗堆（ITER），即采用了托卡馬克裝置。

ITER是全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項目之一，同時是中國以平等身份參加的最大國際科技合作項目。

2006年，中國、歐盟、美國、俄羅斯、日本、韓國和印度共同簽署了國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目啟動協(xié)定。2008年，中國全面開展ITER計劃工作，承擔(dān)了其中約10%的研發(fā)制造任務(wù)。

中國核能發(fā)展實施“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰(zhàn)略，在磁約束和慣性約束聚變上均有研究。目前，中國磁約束核聚變技術(shù)的研究上已處于世界前列。

中國對核聚變能研究開始于1960年代初，主要依托的單位為隸屬中國核工業(yè)集團(tuán)公司的西南物理研究院（SWIP）和隸屬于中國科學(xué)院的合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所等。

2006年，中國自行設(shè)計、研制的世界上第一個全超導(dǎo)托卡馬克EAST（原名HT--7U）核聚變實驗裝置成功完成首次工程調(diào)試，并于2007年3月通過國家驗收，之后實現(xiàn)多次放電。這個裝置規(guī)模上大大小于ITER，但是位形卻與之相似，由中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研發(fā)。

今年5月28日，EAST創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運(yùn)行。這將此前創(chuàng)造的1億攝氏度20秒原紀(jì)錄延長了5倍。

今年10月20日，中核集團(tuán)發(fā)布消息稱，中國新一代“人造太陽”（HL-2M）等離子體電流突破100萬安培（1兆安），創(chuàng)造了中國可控核聚變裝置運(yùn)行新紀(jì)錄，標(biāo)志著中國核聚變研發(fā)距離聚變點火邁進(jìn)了重要一步，躋身國際第一方陣。

HL-2M即中國環(huán)流器二號M裝置，為目前中國最大、參數(shù)最高的托卡馬克裝置，被稱為中國新一代核聚變實驗裝置。

目前，國內(nèi)也有一些民企在探索可商業(yè)化聚變能源技術(shù)。今年2月，成立于2021年的能量奇點宣布完成近4億元人民幣的首輪融資，米哈游和蔚來資本領(lǐng)投，紅杉中國種子基金和藍(lán)馳創(chuàng)投跟投。

該公司計劃，融資主要用于研發(fā)和建設(shè)基于全高溫超導(dǎo)材料的小型托卡馬克實驗裝置，以及研發(fā)可用于下一代高性能聚變裝置的先進(jìn)磁體系統(tǒng)。

今年6月，陜西星環(huán)聚能科技有限公司（下稱星環(huán)聚能）正式對外宣布，完成數(shù)億元天使輪融資，用于可控聚變能開發(fā)。順為資本、中科創(chuàng)星、昆侖資本等十多家機(jī)構(gòu)參與投資。

星環(huán)聚能成立于2021年。獲得本輪融資后，該公司將在陜西省西咸新區(qū)建設(shè)球形托卡馬克聚變裝置。

無論是哪條技術(shù)路線，從實驗成功走向未來的核聚變商業(yè)化，都預(yù)計仍需要很長時間。

LLNL主任基姆·布迪爾（Kim Budil）表示，實現(xiàn)核聚變商業(yè)化可能需要數(shù)十年，核聚變技術(shù)還需克服諸多障礙，包括實現(xiàn)每分鐘完成多次聚變點火，并擁有穩(wěn)健的驅(qū)動程序系統(tǒng)等。

美國有線電視新聞網(wǎng)（CNN）的報道指出，當(dāng)前實現(xiàn)的“凈能量增益”規(guī)模，遠(yuǎn)小于實現(xiàn)電網(wǎng)供電和建筑物供暖所需的規(guī)模。因此，科學(xué)家們將在下一步探索如何實現(xiàn)更大規(guī)模的核聚變能量，以及最終如何降低核聚變成本以供商業(yè)化。

基姆·布迪爾對此持有信心，“核聚變正在走向前臺。通過共同努力和投資，對基礎(chǔ)技術(shù)幾十年的研究或許可以使我們有能力建造一座（核聚變）發(fā)電廠。”