每經記者｜李孟(meng)林    每經編輯(ji)｜高(gao)涵     

當地時間12月13日，美國能源部(bu)宣布(bu)，美國科研(yan)人員在研(yan)究核聚變能源方(fang)面取得重大突破。據路透社援引消息人士稱，位(wei)于加利福尼亞州(zhou)的勞倫(lun)斯·利弗莫爾(er)國(guo)家(jia)實(shi)驗(yan)室(shi)（LLNL）的科研人員(yuan)在一(yi)次(ci)使用激光(guang)的核聚變實(shi)驗(yan)中，首次(ci)實(shi)現了凈能量增(zeng)益(yi)。

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(he)聚變(bian)的過程，來(lai)獲得幾乎無限的清(qing)潔、安全和廉價的能源。而在(zai)此之前(qian)，科(ke)學家遲遲未能(neng)攻克第一(yi)道(dao)攔路虎：如何讓核聚變產出的(de)能(neng)量(liang)大于(yu)觸發反應所投入的(de)能(neng)量(liang)。

因此，在(zai)美國能(neng)源(yuan)部證(zheng)實美國科學家(jia)已(yi)經實現了(le)核聚(ju)變(bian)產出(chu)大于(yu)投入(ru)的(de)(de)“凈(jing)能(neng)量增益(yi)”后，立(li)刻引發了(le)科學界的(de)(de)轟(hong)動。在(zai)世界正面臨化石能(neng)源(yuan)導(dao)致的(de)(de)氣候危(wei)機之下，坊間更(geng)有樂觀的(de)(de)議論認為，一(yi)勞(lao)永逸地解決能(neng)源(yuan)問題(ti)已(yi)經出(chu)現曙(shu)光(guang)。據(ju)美國能(neng)源(yuan)部，實驗產生的(de)(de)能(neng)量比投入(ru)的(de)(de)能(neng)量多50%以上。

科學家指(zhi)出，此次實現(xian)的(de)(de)凈能量增益是(shi)數十年來最重要(yao)(yao)的(de)(de)科學成果之一(yi)，是(shi)對核聚變原(yuan)理的(de)(de)概念驗證，但人類離用上核聚變能還有(you)很長的(de)(de)路要(yao)(yao)走，能量增益的(de)(de)規模還需(xu)要(yao)(yao)大幅提高才能考(kao)慮轉化(hua)為(wei)電力的(de)(de)事(shi)情。

英國(guo)核聚變公司First Light Fusion創(chuang)始(shi)人Nick Hawker在采訪中(zhong)對(dui)《每日經濟新聞》記者表示，這次(ci)實(shi)驗(yan)結果(guo)對(dui)各(ge)國(guo)的(de)(de)能(neng)源轉型政策短(duan)期內并無影響，核聚變并不(bu)是(shi)解決氣(qi)候變化的(de)(de)靈丹妙藥，但可以(yi)在未來的(de)(de)清(qing)潔能(neng)源結構中(zhong)，扮演維持基本負載電力的(de)(de)重(zhong)要角色。

核聚變技術的“歷史性突破”？業內人士：核心物理學原理已被攻克

當地時間12月13日，美國能源部官員宣(xuan)布，由美國政府資助的加州勞倫斯(si)·利弗莫爾國家實驗室，首(shou)次(ci)成功在核聚變(bian)(bian)反應(ying)中實現(xian)了凈能量(liang)增益。據悉，實驗向目標輸入了2.05兆焦(jiao)耳(er)的能量(liang)，產生了3.15兆焦(jiao)耳(er)的聚變(bian)(bian)能量(liang)輸出，產生的能量(liang)比投入的能量(liang)多50%以(yi)上。

“這是過去二三十年(nian)來最(zui)大的科學成果之一，” 貝爾(er)法斯特女(nv)王(wang)大學研究激光(guang)和等離子(zi)物理學的Gianluca Sarri表(biao)示。

要(yao)(yao)理解這項成就的(de)(de)(de)(de)重要(yao)(yao)性，就得知道(dao)實現增益的(de)(de)(de)(de)難度(du)。據國(guo)際(ji)原子(zi)能(neng)機構(gou)，核(he)(he)聚(ju)變是兩個(ge)輕原子(zi)核(he)(he)結合(he)成一(yi)個(ge)較重的(de)(de)(de)(de)原子(zi)核(he)(he)并釋放(fang)出巨大能(neng)量的(de)(de)(de)(de)過(guo)程，這一(yi)過(guo)程發生(sheng)(sheng)在一(yi)種叫作等(deng)離子(zi)體(ti)的(de)(de)(de)(de)物(wu)質狀態中。在地(di)球上，人類需要(yao)(yao)超過(guo)1億攝氏度(du)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)和強大的(de)(de)(de)(de)壓力，才能(neng)促成氘（重氫(qing)）和氚（超重氫(qing)）的(de)(de)(de)(de)混合(he)物(wu)發生(sheng)(sheng)核(he)(he)聚(ju)變，而且(qie)還需要(yao)(yao)將(jiang)等(deng)離子(zi)體(ti)和聚(ju)變反應保(bao)持足夠長(chang)的(de)(de)(de)(de)時間(jian)，才能(neng)獲(huo)得凈能(neng)量增益。

圖片(pian)來(lai)源：國際原(yuan)子能機(ji)構

LLNL實驗(yan)(yan)室采用了一(yi)(yi)種名為慣(guan)性約束聚(ju)變(bian)的(de)路徑(jing)。在發(fa)(fa)布會上，美國國家核安全局官員Marv Adams用簡單的(de)語言解釋了該實驗(yan)(yan)室“國家點火設施”的(de)實驗(yan)(yan)過(guo)程(cheng)：規模相當于三個(ge)足(zu)球場的(de)192個(ge)激光(guang)器(qi)組合，從兩(liang)端(duan)向一(yi)(yi)個(ge)圓(yuan)柱體發(fa)(fa)射激光(guang)束，將能量注入，而圓(yuan)柱體中一(yi)(yi)個(ge)僅有半個(ge)氣槍BB彈大小的(de)靶丸受到(dao)擠壓，球內的(de)氘氚聚(ju)變(bian)燃料(liao)被(bei)“點燃”，產(chan)生出(chu)能量。整(zheng)個(ge)聚(ju)變(bian)過(guo)程(cheng)發(fa)(fa)生速度極(ji)快(kuai)，比光(guang)運動一(yi)(yi)英尺(chi)（2.54厘米）的(de)時間(jian)還快(kuai)。

國家點火設施實驗過程 圖片(pian)來(lai)源(yuan)：美國能源(yuan)部

國家點火(huo)設施此前已經多次(ci)重復了(le)這一過程，最(zui)好的(de)成績(ji)是(shi)產出(chu)和(he)投入(ru)能量(liang)(liang)比為70%，仍然是(shi)凈能量(liang)(liang)損(sun)失。這一次(ci)的(de)不同之處(chu)在于，聚(ju)變燃料的(de)超(chao)高(gao)溫、能量(liang)(liang)密(mi)度和(he)維(wei)持的(de)時間(jian)都達到了(le)臨界標準，最(zui)終達成了(le)點燃的(de)效果，產生出(chu)了(le)更多的(de)能量(liang)(liang)。

“這一結果是(shi)慣(guan)性(xing)約束聚變作(zuo)為(wei)發電技術的(de)(de)分水嶺時刻。長期以來，（激光(guang)沖(chong)擊的(de)(de)）目標(biao)產生能量增(zeng)益(yi)就是(shi)衡量成功的(de)(de)標(biao)準(zhun)，它意味著核(he)心的(de)(de)物(wu)理(li)學(xue)原理(li)已經(jing)被(bei)攻克，”英國(guo)核(he)聚變公(gong)司First Light Fusion創始人Nick Hawker對《每日經(jing)濟新聞》記者表示，“從(cong)這一結果到發電的(de)(de)物(wu)理(li)學(xue)路徑是(shi)非常清楚的(de)(de)，而且(qie)風險(xian)大大降低了。”

核(he)聚變作為能(neng)源來(lai)源的(de)優點(dian)十(shi)分突出。首先是極大的(de)能(neng)量(liang)密度。據國際原(yuan)子機構，核(he)聚變產(chan)生(sheng)的(de)能(neng)量(liang)是核(he)裂(lie)變（目前使用(yong)的(de)核(he)電技術(shu)）的(de)四倍，理論上，只需要幾克氘氚反應物，就有可能(neng)產(chan)生(sheng)一(yi)(yi)萬(wan)億焦耳的(de)能(neng)量(liang)，這大約是發達國家的(de)一(yi)(yi)個人在60年內所需要的(de)能(neng)量(liang)。其次，和核(he)裂(lie)變一(yi)(yi)樣，核(he)聚變不會向大氣中排放二氧(yang)化碳(tan)或其他溫室氣體。

First Light Fusion的首席財務官David Byron對《每日經濟新聞》記者表示，作為能(neng)源生產方式，核(he)聚變擁有核(he)裂變的所有優點，同時又能(neng)避(bi)免(mian)后者的很多缺點。

“核聚變不會存(cun)在核反應(ying)(ying)堆(dui)融毀的(de)(de)情(qing)況，從本(ben)質上來(lai)說就(jiu)很安全(quan)。簡單(dan)來(lai)說，核裂變反應(ying)(ying)堆(dui)的(de)(de)功能(neng)是控(kong)制能(neng)量釋(shi)放的(de)(de)速(su)度，避免其(qi)失控(kong)；核聚變則相(xiang)反，它需要創造(zao)聚變發生(sheng)的(de)(de)條件，假如(ru)停止投(tou)入聚變燃料，或(huo)者沒有(you)合適的(de)(de)高溫條件，聚變反應(ying)(ying)自己(ji)就(jiu)停止了，”David Byron解釋(shi)道(dao)。

此外，核(he)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)過程中不(bu)(bu)會(hui)出現制造武器級別的材料(liao)。對(dui)于很多沒有(you)核(he)武器的國(guo)(guo)家(jia)而言，由(you)于核(he)裂變(bian)(bian)技術的出口管制，他們無法發展(zhan)核(he)能，但核(he)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)就不(bu)(bu)存(cun)在這個(ge)問(wen)題(ti)。核(he)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)也不(bu)(bu)會(hui)產生長時(shi)間(jian)的放射性核(he)廢(fei)料(liao)，不(bu)(bu)需(xu)要花幾代人來清理。“因此核(he)聚(ju)(ju)(ju)變(bian)(bian)技術有(you)望幫助(zhu)更多國(guo)(guo)家(jia)擺脫(tuo)貧(pin)困，” David Byron補(bu)充道。

人類距離用上核聚變能源還有多遠？

如果人類有一(yi)天能(neng)大規模應用(yong)核(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)作為能(neng)源(yuan)，無(wu)疑意(yi)味著地(di)球能(neng)源(yuan)結構翻天覆地(di)的重構。此次(ci)核(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)實現(xian)凈能(neng)量(liang)增益，讓我(wo)們離這一(yi)天還有多遠(yuan)呢(ni)？科學界認(ren)為，要用(yong)上(shang)核(he)(he)聚(ju)變(bian)(bian)能(neng)，需(xu)要經歷實驗室(shi)點(dian)火(huo)和(he)燃燒(shao)、聚(ju)變(bian)(bian)發(fa)電演示和(he)商用(yong)發(fa)電三個階段，目前(qian)我(wo)們還處于第一(yi)階段，而(er)且還有很多挑戰(zhan)尚未(wei)解決(jue)。

“在(zai)協(xie)同的(de)(de)(de)努(nu)力和投資之下，對底層技(ji)術再進行數十年(nian)的(de)(de)(de)研究，我們或許(xu)可以開始建造（核聚變(bian)）發電廠(chang)，” LLNL實驗(yan)室的(de)(de)(de)主(zhu)任Kim Budil在(zai)發布會上預測，“還存(cun)在(zai)很多科學和技(ji)術上的(de)(de)(de)重大挑(tiao)戰。這次只是一次性點燃(ran)一個靶丸，要(yao)(yao)實現(xian)商用(yong)聚變(bian)能(neng)，需(xu)要(yao)(yao)達成每分鐘非常非常多次的(de)(de)(de)聚變(bian)點燃(ran)，而(er)且還需(xu)要(yao)(yao)強大的(de)(de)(de)驅動系統才能(neng)實現(xian)。”

牛(niu)津大(da)學物(wu)理學教(jiao)授(shou)、LLNL實(shi)驗室(shi)核(he)聚(ju)變項(xiang)目的咨詢專(zhuan)家Justin Wark對科學傳播組織SMC表示，LLNL實(shi)驗室(shi)理論上(shang)可以每天重(zhong)復一次類似的點(dian)燃成果，但核(he)聚(ju)變電廠需(xu)要的是每秒(miao)鐘(zhong)十次。

另一方面，凈(jing)增(zeng)益能(neng)(neng)量(liang)(liang)也(ye)需(xu)要大幅提高(gao)。劍(jian)橋大學核能(neng)(neng)講(jiang)師(shi)Tony Roulstone對SMC表(biao)示，根據《金(jin)融時(shi)報(bao)(bao)》當時(shi)報(bao)(bao)道的(de)數(shu)據，實驗(yan)室為產(chan)生激光(guang)而(er)投入了(le)500兆焦的(de)能(neng)(neng)源，最終(zhong)輸送(song)到靶丸上的(de)能(neng)(neng)源才1.8兆焦，雖然最后實現了(le)凈(jing)能(neng)(neng)量(liang)(liang)增(zeng)益（2.5兆焦），但(dan)從(cong)整個過(guo)(guo)程來看(kan)，實際上產(chan)出只占投入的(de)0.5%。從(cong)工程學的(de)角(jiao)度(du)而(er)言(yan)，最終(zhong)需(xu)要產(chan)出的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)為投入激光(guang)組(zu)能(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)兩倍才算達(da)到目標(biao)，因為從(cong)聚變(bian)熱能(neng)(neng)轉化為電力的(de)過(guo)(guo)程中還會(hui)產(chan)生能(neng)(neng)量(liang)(liang)損失。

“因此可以(yi)說，國(guo)家點火設施(shi)的(de)(de)實(shi)驗結果是一項科學上(shang)的(de)(de)成功，但(dan)離提供可用(yong)的(de)(de)、充足的(de)(de)清潔能源還有很長一段路要走，” Tony Roulstone表示(shi)。

假如(ru)核聚變還(huan)需要數十年才能(neng)投(tou)入應用，那么它對于應對迫(po)在眉睫的氣(qi)候變化可能(neng)無法發揮重要作用。

科學倡導組(zu)織憂思科學家(jia)聯盟（Union of Concerned Scientists）的(de)(de)核(he)(he)能安全主管Ed Lyman對(dui)政(zheng)治(zhi)新聞網(wang)Politico表示：“不(bu)是說要(yao)(yao)貶低(di)他們的(de)(de)成就(jiu)，但還是得(de)謹慎看待。（核(he)(he)聚變）對(dui)于實現(xian)脫碳而(er)言晚得(de)不(bu)是一(yi)點(dian)(dian)點(dian)(dian)。我們需(xu)要(yao)(yao)在接下來的(de)(de)一(yi)二十(shi)年(nian)努力脫碳，而(er)就(jiu)算根據最樂觀的(de)(de)預估，核(he)(he)聚變能也要(yao)(yao)2040年(nian)代(dai)才能出(chu)現(xian)。”

First Light Fusion毫無(wu)疑問(wen)屬于樂觀派(pai)。首(shou)席財務官David Byron對(dui)《每日(ri)經濟新聞》記(ji)者表(biao)示，公(gong)司預計(ji)在2030年代早期到中期，就(jiu)可以修建并入(ru)電網的(de)核聚(ju)變(bian)電站(zhan)試點項目，也就(jiu)是說還有十年的(de)時間。

這(zhe)一時(shi)間(jian)節(jie)點(dian)(dian)也是很多核(he)聚(ju)變(bian)產業(ye)人士的預測(ce)，不(bu)過(guo)核(he)聚(ju)變(bian)的布(bu)局時(shi)間(jian)線并不(bu)可靠。早(zao)在2012年(nian)，國家(jia)點(dian)(dian)火設施(shi)的主管曾(ceng)預測(ce)十年(nian)內聚(ju)變(bian)技術(shu)就能達(da)到商業(ye)可行性(xing)，但現在這(zhe)個時(shi)間(jian)點(dian)(dian)已(yi)經差不(bu)多過(guo)去(qu)了。

First Light Fusion創始人Nick Hawker對每經記者坦承，對于能(neng)(neng)源(yuan)領域而言，本次實驗(yan)結果(guo)不會產(chan)生(sheng)(sheng)直接的影響(xiang)，必須繼續投入(ru)風能(neng)(neng)、太陽能(neng)(neng)等可再生(sheng)(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)。“這(zhe)不是(shi)解(jie)決氣(qi)候變化的靈丹妙藥，但是(shi)我(wo)們需要清潔(jie)的基本負載電力，這(zhe)是(shi)核聚變發(fa)揮(hui)作用的地(di)方，” Nick Hawker表示。

David Byron補充解釋說，我(wo)們需(xu)要盡可(ke)(ke)能(neng)多的風能(neng)和太陽(yang)能(neng)，但由(you)(you)于選(xuan)址(zhi)和土地(di)使用(yong)等因素限制(zhi)，可(ke)(ke)再生(sheng)能(neng)源無法完全(quan)滿足人(ren)類的需(xu)求(qiu)。此外，受(shou)自(zi)然(ran)條件影響，可(ke)(ke)再生(sheng)能(neng)源還有間(jian)歇(xie)性的問題，因此人(ren)類需(xu)要能(neng)24小時持續(xu)滿足電(dian)網系統最低電(dian)力(li)需(xu)求(qiu)（基(ji)本負載電(dian)力(li)）的發電(dian)廠(chang)，這就是核(he)能(neng)（包括裂變和聚(ju)變）發揮(hui)作(zuo)用(yong)的地(di)方。由(you)(you)于核(he)聚(ju)變安全(quan)性更好，監管(guan)批(pi)準(zhun)的負擔(dan)比核(he)裂變發電(dian)廠(chang)要小很(hen)多，因此未來將(jiang)發揮(hui)重要作(zuo)用(yong)。

封面圖(tu)片來(lai)源(yuan)：美國能源(yuan)部(bu)