在科技日新月異，創(chuàng )新和顛覆節奏越來(lái)越快的今天，你或許很難想象：一項技術(shù)的突破，居然要花費超過(guò)半個(gè)世紀的時(shí)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(shí)現的重大的技術(shù)突破。上周一12月5日，美國科學(xué)家完成了歷史上首次達到科學(xué)能量平衡的可控核聚變實(shí)驗。

在這次實(shí)驗中，團隊使用高能激光射向一個(gè)燃料倉，點(diǎn)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(chǎn)生了大約3.15兆焦的能量。

(資料圖片)

這意味著(zhù)人類(lèi)在可控核聚變實(shí)驗中，首次首次超出了聚變閾值，實(shí)現了大于1的能量增益（也即從聚變中產(chǎn)生的能量，比用于驅動(dòng)它的激光能量更多）。

更重要的是，這次實(shí)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(gè)是磁約束，也即所謂的托克馬克裝置）之一的最根本科學(xué)基礎。

所以，你可以將這次實(shí)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(lái)自公立和私營(yíng)部門(mén)的資金、研究力量，可以更加大膽地進(jìn)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(guān)，在短短的二十，甚至十年內，實(shí)現慣性約束聚變的可規?；?。

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

本次實(shí)驗所在的勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗室主任Kim Budil 博士則表示，“在實(shí)驗室中實(shí)現聚變點(diǎn)火，是人類(lèi)有史以來(lái)應對的最重要科學(xué)挑戰之一。這次能夠實(shí)現它，是我們在科學(xué)，在工程上的一次全人類(lèi)的勝利?！?/p>

而對于本次實(shí)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(jià)：

“就像大家知道的那樣，我們的實(shí)驗室簡(jiǎn)稱(chēng) LLNL，其實(shí)是‘Lasers, Lasers, Nothing but Lasers’ 的意思……”

白宮首席科學(xué)顧問(wèn) Arati Prabhakar 博士，更是感慨萬(wàn)千：“在我19歲的時(shí)候，我就在這個(gè)實(shí)驗室實(shí)習過(guò)，當時(shí)他們給了我一根‘激光筆’玩，那個(gè)夏天我過(guò)得非常充實(shí)。后來(lái)我離開(kāi)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(guò)驕人的成績(jì)，也歷經(jīng)了無(wú)數令人難以置信的挑戰和痛苦——今天的我們都已經(jīng)白了頭發(fā)，但他們從未放棄這一目標，直到上周……我相信這是一個(gè)關(guān)于‘堅持’的最佳例證?！?/em>

接下來(lái)，讓我們來(lái)深入淺出地了解一下，這次意義無(wú)比重大的可控核聚變實(shí)驗，這場(chǎng)長(cháng)達60年的追逐，到底是怎么一回事。

發(fā)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(shí)驗室 (LLNL) 內部的國家點(diǎn)火裝置(NIF)，進(jìn)行了一次通過(guò)激光觸發(fā)的慣性約束核聚變 (ICF) 點(diǎn)火實(shí)驗。

為了實(shí)現聚變點(diǎn)火，科學(xué)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(huán)空器。

環(huán)空器 (hohlhraum) 是一種圓筒形器皿，頭尾兩端開(kāi)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(cháng) Marvin Adams 展示了實(shí)驗所用的環(huán)空器（同款）。

注意，環(huán)空器其實(shí)并非他手中的“玻璃杯”，而是在里面裝著(zhù)的另一個(gè)小筒，大概只有手指指節的大小，如他的左手所示：

在 NIF 的實(shí)驗中，科學(xué)家將燃料球裝在環(huán)空器內并進(jìn)行加壓，然后通過(guò)環(huán)空器兩端的孔洞射入激光，照射環(huán)空器的內壁。

特殊涂層被加熱到大約300萬(wàn)℃的高溫，發(fā)出強烈的 X 光束，進(jìn)而照射在燃料球上。

燃料球的外層被X光照射，產(chǎn)生爆裂。其反作用力會(huì )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(chǎn)生自發(fā)性的燃燒，導致內爆（能量和物質(zhì)快速對稱(chēng)地向內聚合），并連鎖觸發(fā)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(chǎn)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(shí)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(guò)程，就是高能量慣性約束聚變的基本過(guò)程。它的用時(shí)極短，只有大約幾十甚至上百萬(wàn)分之一秒。它的尺度也很小，畢竟燃料球只有“一枚花椒?！蹦敲创?。

但是，也正是在這個(gè)極短的過(guò)程中，這個(gè)環(huán)空器內，其實(shí)模擬了一顆微小的恒星。

為什么重要？

這樣的實(shí)驗，在 NIF 并非第一次進(jìn)行。事實(shí)上，該實(shí)驗室在過(guò)去已經(jīng)進(jìn)行過(guò)“無(wú)數次”可控聚變實(shí)驗了。

然而本次實(shí)驗的重要性在于：

就是聚變產(chǎn)生的能量，比觸發(fā)聚變所消耗的科學(xué)能量更高。也就是說(shuō)，用這種做法來(lái)產(chǎn)生能源，值了！

具體來(lái)說(shuō)，實(shí)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(guò)科學(xué)的觀(guān)測手段取得的實(shí)驗結果顯示，瞬時(shí)聚變產(chǎn)生的能量達到了3.15兆焦。

產(chǎn)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(xué)上稱(chēng)為“科學(xué)能源盈虧平衡” (scientific energy breakeven)。

而在過(guò)去，無(wú)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(yíng)研究機構，進(jìn)行的所有可控聚變實(shí)驗，都從未實(shí)現過(guò)盈虧平衡——說(shuō)白了，就是“為了發(fā)電，反而用了更多的電”。

美國知名科普作者、天體物理學(xué)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(lái)到了這一天?！?/strong>

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

然而問(wèn)題是，人類(lèi)在很長(cháng)時(shí)間里一直無(wú)法控制聚變的反應。

核聚變研究從上世紀50年代就已經(jīng)開(kāi)始，但進(jìn)展一直非常緩慢（以至于過(guò)去隨便一點(diǎn)小成績(jì)都值得大書(shū)特書(shū)）。在過(guò)去，最大的挑戰是高溫問(wèn)題難以解決。

具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家需要在實(shí)驗室環(huán)境內創(chuàng )造出像太陽(yáng)那樣的極高溫、高壓的環(huán)境，才能讓燃料加熱到離子化產(chǎn)生聚變。然而一般容器無(wú)法應付如此高的溫度，需要對容器和反應進(jìn)行“約束”，放置離子溢出容器。

故而科學(xué)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(shí)驗就屬于后者。

除了對核聚變的可控之外，實(shí)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(shí)驗人員對激光照射反應邏輯和對環(huán)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(diǎn)。

為什么要提高效率？因為如果效率能夠超過(guò)某個(gè)閾值，就會(huì )出現一種極為特殊的情況：產(chǎn)生的能量超過(guò)輸入的能量，也即實(shí)現大于1的能量增益（正能量增益）

這樣的情況，在過(guò)去難以實(shí)現?？茖W(xué)家們花了整整70年，距離這個(gè)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(shí)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(guò)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(shí)間里，整個(gè)燃料球完成了它的聚變反應，并實(shí)現了超過(guò)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(xué)壯舉之一?！泵绹茉床块L(cháng) Granholm 表示。

什么時(shí)候商業(yè)化？聚變核電站？

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

你可以這樣理解：為了讓這個(gè)“激光筆”啟動(dòng)，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(shí)際上的電網(wǎng)流量是300度……

在科學(xué)上，我們應該聚焦于正能量增益這一決定性的事實(shí)。但是從實(shí)際應用，從商業(yè)化的角度，我們當然也要關(guān)注300兆焦——百倍耗電的問(wèn)題。

LLNL主任Budil 博士對此回應：我們的計算預測顯示，可以通過(guò)規?；秃侠戆才偶す庋b置的方式，來(lái)實(shí)現百倍增收，也即獲得數百兆焦的能量產(chǎn)出。研究團隊有一個(gè)理論路徑去實(shí)現那樣的未來(lái)，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(zhù)許多非常巨大的難題沒(méi)有解決。這些問(wèn)題不只是科學(xué)上的，還有技術(shù)上的，”LLNL 主任 Budil 博士指出，“我們只是成功點(diǎn)火了一個(gè)燃料倉，就這么一次?！?/strong>

而想要實(shí)現這一可控核聚變技術(shù)的商業(yè)化，還有很多問(wèn)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(xué)家還有許多要素并不具備。

“我想距離那樣的未來(lái)，可能還要數十年的時(shí)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(mén)各界各行業(yè)的通力合作，對底層技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)……可控核聚變發(fā)電站的落成，也許我們有生之年可以看到?！?/strong>

能源部長(cháng) Granholm 則表示，目前拜登政府的能源政策和施政綱領(lǐng)中的確有提及對可控聚變核電站進(jìn)行研究，但目前尚無(wú)新的進(jìn)展可以分享。毫無(wú)疑問(wèn)，通過(guò)清潔、安全、先進(jìn)的核聚變方式進(jìn)行發(fā)電是一個(gè)非常有價(jià)值的方向，不過(guò)目前遠未達到可行性研究的階段。

不過(guò) Granholm 也強調，在可控核聚變發(fā)電技術(shù)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(jì)尤為關(guān)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(jìn)。我們非常支持對這一領(lǐng)域感興趣的民間資本，比如投資群體和創(chuàng )業(yè)公司，和我們一起努力在未來(lái)（幾）十年內打造出可工作的可控核聚變發(fā)電站?！?/p>

雖然這位能源部長(cháng)更為樂(lè )觀(guān)，一個(gè)需要明確的事實(shí)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(fā)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(lái)的路的確很長(cháng)。

過(guò)去一周，NIF 的所有團隊的成員都在非常辛苦地檢查實(shí)驗數據，對實(shí)驗結果進(jìn)行驗證。

“你們會(huì )發(fā)現，當你點(diǎn)燃一個(gè)小燃料倉的時(shí)候，發(fā)生了一件很小但又很大的事情……但是與之相關(guān)的實(shí)驗數據卻并不‘小’，我們所有團隊所有熟悉業(yè)務(wù)和數據的成員都需要來(lái)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(zhuān)家團隊來(lái)進(jìn)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(xué)家們確認，他們完成了一項長(cháng)達70年都沒(méi)有實(shí)現的關(guān)鍵使命，終于實(shí)現了那個(gè)讓一代又一代物理學(xué)家、化學(xué)家、計算機科學(xué)家們前仆后繼的“奇跡”。

“告訴大家發(fā)生了什么很重要，把事實(shí)和證據給大家看更重要?！?/p>

對磁約束有何意義？

Budil 博士指出，作為核聚變的兩種主要實(shí)現技術(shù)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(diǎn)，但在技術(shù)原理和實(shí)驗場(chǎng)景上還是有著(zhù)本質(zhì)的區別。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，磁約束聚變主要是低壓低溫的持續環(huán)境，而慣性約束是高能高壓高溫的瞬時(shí)環(huán)境——注意這里的持續和瞬時(shí)之間區別其實(shí)不大，可能無(wú)非也是幾百納秒和幾納秒之間的差異。兩種技術(shù)方案的研究推進(jìn)，對于未來(lái)人類(lèi)實(shí)現通過(guò)可控核聚變進(jìn)行發(fā)電都有著(zhù)關(guān)鍵意義。

不過(guò)從顯示情況來(lái)看，由于磁約束方案的研究時(shí)間更長(cháng)，研究力量更多元化（國家、公/私），磁約束方面的核電站概念開(kāi)發(fā)進(jìn)度目前更“遠”一些，距離落實(shí)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(lái)說(shuō)，對 Livermore 的印象可能就是奧特萊斯。其實(shí)，美國最重要的一座大型公立研究實(shí)驗室——勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗室，也坐落于這里。

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

不過(guò)到了今天，這個(gè)實(shí)驗室已經(jīng)發(fā)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(wǎng)絡(luò )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(shí)驗室的管理。

而承擔了本次實(shí)驗的“國家點(diǎn)火裝置”(NIF) 和光粒子科學(xué)部門(mén)，正是整個(gè) LLNL 旗下最重要和歷史最悠久的部門(mén)，沒(méi)有之一。

NIF 是整個(gè)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(gè)美式橄欖球體育場(chǎng)，總共有192套獨立/可合作的激光束生成設施——所以這次實(shí)驗，可以說(shuō)是“火力全開(kāi)了”。

這也是為什么 Budil 主任幽默地表示，LLNL的全稱(chēng)其實(shí)是“Lasers, Lasers, Nothing but Lasers.”

“對于 NIF 的研究人員和工作人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)具有里程碑意義的成就。他們的醫生致力于使得核聚變點(diǎn)火成為現實(shí)，這次實(shí)驗無(wú)疑將激發(fā)更多的發(fā)現?！蹦茉床块L(cháng) Granholm 表示。

本文作者：杜晨，來(lái)源：硅星人，原文標題：《人類(lèi)“盜火”時(shí)刻：可控核聚變首次輸出超過(guò)輸入，聚變核電時(shí)代來(lái)臨》