耗資35億美元的美國國家點火裝置用了10多年時間不斷沖擊點火目標，過程一波三折。成功點火后有兩條路可走。一是沖刺更高的能量增益，未來或將再建更大能量的激光裝置。二是尋求更加簡單的點火方式，往實用方面繼續開展研究。
對于中國的核聚變研究者來說，要不斷通過實驗加深理解、修正模型，逐步逼近一個真實的狀態。具備了激光核聚變的競爭力，將來面對的是一個寬闊的國際舞臺。
美國能源部發布視頻，公布勞倫斯利弗莫爾國家實驗室激光核聚變點火成功的消息。(01:28)北京時間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中實現“凈能量增益”，即聚變反應產生的能量大于促發該反應的鐳射能量。實驗向目標輸入了2.05兆焦耳的能量，產生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達到153%。3.15兆焦耳的能量相當于二兩炸藥的爆炸威力。
“這是世界上首次激光核聚變點火。”中國科學院上海光學精密機械研究所研究員、高功率激光物理國家實驗室主任朱健強12月13日晚在接受澎湃科技（www.thepaper.cn）專訪時表示，美國國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）的點火工作開啟了一扇新的大門，“未來一定會有更豐富的物理，會有更挑戰性的問題提出并共同沖刺，這是非常了不起的。”
10多年沖擊點火目標，過程一波三折
核聚變反應是宇宙中的普遍現象，它是恒星（例如太陽）的能量來源。核聚變能也是全世界能源發展的前沿方向，被視為未來社會的“終極能源”。如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環境危機困擾。到目前為止，人類對受控核聚變的研究主要分為兩類，一是磁約束核聚變，另一類就是此次成功點火的激光核聚變。
耗資35億美元的美國國家點火裝置位于勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，最初是為了通過模擬爆炸來測試核武器，后用于推進聚變能研究。占地面積有三個足球場大的NIF從2010年開始正式的點火實驗，美國用了10多年時間不斷沖擊點火目標，過程一波三折。
2014年，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家獲得成果，但當時產生的能量非常小，相當于一個60瓦的燈泡在5分鐘內消耗的能量。2021年8月，NIF在一次聚變反應中產生了1.37兆焦耳的能量，約為那次激光能量的70%，是世界上最接近凈能量增益的一次。
去年9月和10月，科研人員想沖刺更高的能量增益，卻沒有再現去年8月的實驗結果。朱健強說，“雖然當時重復實驗沒有成功，但里面的問題更加清晰，在以后的實驗中就可以規避。今年9月份又成功再現了一次去年的結果，今年12月5日再次沖刺，得到了3.15兆焦耳的能量輸出，這是非常了不起的一個里程碑式的工作。”
朱健強分析，NIF成功點火后，有兩條路可走。一是沖刺更高的能量增益，這次沖刺以后或將再建更大能量的激光裝置。二是尋求更加簡單的點火方式，往實用方面繼續開展研究。
一位藝術家為NIF實驗中的燃料艙所作的插畫。建設商業電站仍需幾十年，幾大挑戰要解決
美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆表示，美國首次成功在核聚變反應中實現凈能量增益是一項“里程碑式的成就”。這項成果預計將可能幫助人類在實現零碳排放能源的進程中邁出關鍵一步。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任金·布迪爾（Kim Budil）在13日的新聞發布會上表示，如果想將這一成果商業化，核聚變技術仍有“重大障礙”需要克服，可能還需要幾十年的努力和投資。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任金·布迪爾博士在能源部舉行的新聞發布會上。圖片來源：Chip Somodevilla/Getty Images朱健強表示，要建成商業電站仍需幾十年的努力。從概念真正做到應用一定要有各種邊界條件。首先，激光驅動器要高重頻工作，相比當下三四個小時打一發激光，驅動器的工作體制肯定和現在不同，建電站至少一秒鐘打10次激光，這不是現有激光器所具有的能力。同時，輸出能量的能量增益要達到百倍以上，才有可能探索電站建設。此外，要尋找更簡單、更高效、性價比更高的聚變方式。朱健強表示，“現在只是開了一扇門，這扇門開得非常精彩，門內更是精彩紛呈。”上世紀60年代，激光一誕生，世界各國的科學家就開展了激光核聚變研究。NIF的點火成功是將近60年的努力，是好幾代人的不懈追求。朱健強表示，NIF的點火增強了這一領域的研究信心，對于中國的激光核聚變研究者來說，要不斷通過實驗加深理解、修正模型，逐步逼近一個真實的狀態。“這個工作不像以前做理論研究有固定公式，而是要構建理論體系，理論體系中還存在各種各樣的微擾，要把微擾量搞清楚，才會逼近真實。”
激光核聚變是科學和工程相結合的大項目，也代表一個國家的實力。“全世界沒有幾個國家能夠設計和建造激光核聚變裝置，我國在該領域具備了體系性的核心競爭力，將來面對的是一個很寬闊的國際舞臺，也是展示中國能力的一個非常重要的顯示度。”
以下是澎湃科技與中國科學院上海光學精密機械研究所研究員、高功率激光物理國家實驗室主任朱健強的對話實錄。
澎湃科技：怎么看待這次NIF成功點火？
朱健強（中國科學院上海光學精密機械研究所研究員、高功率激光物理國家實驗室主任）：這是世界上首次激光核聚變點火。激光核聚變的發展是一個非常曲折的過程。上世紀60年代，激光一誕生，科學家就開展了激光核聚變的研究。所以NIF成功點火不是一天就取得的，而是將近60年的努力，是好幾代人的不懈追求。
激光核聚變本身是一個科學目標，同時又是一個科學和工程相結合的大項目，是與人類關系最為密切的一個項目，也代表一個國家的實力。美國科學家不懈努力，在近期獲得了一個重要的進展，對同行來講，是非常令人鼓勵鼓舞的事。
從去年8月開始，NIF就有了達到臨界點火狀態的苗頭，我們內部也在判斷，認為它在短時間內實現點火的可能性還是很大的。原來NIF的科學目標是實現10倍能量增益，現在做到1倍以上，得失相當，我覺得這就是一個里程碑式的工作，1倍以上就代表點火了。所以從這個角度看，美國基本上已經實現了點火的預期目標，后面它肯定會沖刺更高增益的點火，同時也會在全球掀起一個研究高潮。
這么大的成功是建立在以前多次失敗的基礎上。縱觀六十年的研究歷史，對激光核聚變的研究盡管沒有取得預期目標，但依然沒有下馬，也說明了激光核聚變的重要價值，今天聚變點火的成功，可以預期今后激光聚變研究將進入一個新時代。
澎湃科技：點火也稱為能量增益。
朱健強：能量增益就是輸入進去多少能量，聚變反應后能輸出多少能量，也就是產出和輸入的能量比。能量增益為1就意味著打進去多少能量，聚變反應出來多少能量。凈能量增益就是輸出的能量超過了輸入的能量。
澎湃科技：7月份，《自然》報道，美國科學家后來未能復制2021年8月創紀錄的實驗，說明研究人員無法精確地理解、設計和預測這些能量下的實驗。
朱健強：這里面的問題是非常復雜的，因為激光聚焦光斑及實驗用靶的狀態，每次都是不一樣的。激光的靶丸不到1毫米，在這么高能量、高密度的狀態下，激光核聚變在建立的過程中有很多隨機性，是不可確定的。所以每一次的實驗可能都會有漲落，有了第一次成功的經驗，奠定了將來的高追求成功率的基礎。
美國原來在做點火工程的過程中，NIF的設計目標是輸出的能量要比目前常規運行的高，設計的大概是2.4兆焦耳，但實際運行只有1.4兆焦耳，主要是后來的一些損傷導致激光器不能正常運行，所以沒有很好實現點火預期。
這就造成了一個誤區，以為美國點不了火，實際上它的體系是強大的。美國有一種理論叫營地戰術，一個問題一個問題地解決。營地戰術的核心是頂尖科學家能指出營地在哪里，才能逐步推進解決問題。所以NIF成功點火非常不容易，最頂尖的專家能在不確定的情況下構建出理論構架、模擬仿真，制定出實驗方案，逐步逼近點火。
NIF建完以后，美國用了10多年時間不斷沖擊點火目標，過程是一波三折。去年8月8日，他們做到能量增益0.7左右。只要激光的能量輸出、制靶、診斷配合好，還是會得到一個很好的結果。但非常遺憾，去年9、10月份想沖刺更高的增益，結果沒有再現去年8月份的實驗結果。這實際上是考驗科學家意志和能力的時候了，總是沒有達到目標肯定會受到質疑。雖然當時重復實驗沒有成功，但里面的問題更加清晰，在以后的實驗中就可以規避，今年9月份又成功再現了一次去年的結果，12月5日再次沖刺得到3.15兆焦耳的能量輸出，3.15兆焦耳的能量相當于二兩炸藥的爆炸威力。這是非常了不起的一個里程碑式的工作。美國能源部正式公布這個消息，向全世界正式宣布點火成功。
澎湃科技：實現點火后，接下來的研究方向會是什么樣的？
朱健強：目前來講有兩條路。一是往更高的增益上走，當然這有很大難度，實際上美國的激光器能力已經到極限，原先設計的輸出能量是2.4兆焦耳，現在也無法在2.4兆焦耳下運行，當初能量沒打上去就是因為激光器的終端損傷嚴重，這次沖刺以后可能要再擴建更大能量的激光裝置。二是尋求更加皮實、簡單的點火方式。科學目標已經實現了，接下來怎么在懸崖上走得更加穩健、皮實，就需要往實用方面繼續開展研究。
NIF的點火工作已經開啟了一扇新的大門，原來是探索門怎么開，現在門開了，里面是另外一番風景，未來一定會有更豐富的物理，會有更挑戰性的問題提出并共同沖刺，這是非常了不起的。
澎湃科技：剛剛提到要探索更簡單的點火方式，目前NIF使用的是傳統的中心點火方式。
朱健強：NIF是間接驅動的點火方式。點火方式目前來講公認的有三種物理模型，一是NIF做的中心點火，這種方式不光可以用來點火，對國防安全、戰略安全是有很大用處的。二是直接驅動，未來的能源，我認為直接驅動的可能性是最大的。直接驅動的好處是皮實、簡單，激光直接輻照，不需要能量間接轉移，直接驅動是未來必然的探索。三是快點火，點火需要高溫、高密度，快點火把兩個狀態解耦，先產生高密度，再加溫。這是一種新型的點火方式，這個方式會得到非常高的效率，中國科學院早在2020年就支持我們開展做這方面的攻關，張杰院士是首席科學家。
澎湃科技：接下來有哪些機遇和挑戰？
朱健強：機遇就是美國點火成功了，對未來的發展增強信心，我們國家也會有更大的投入。
快點火也好，直接驅動點火也好，遇到的問題很多。美國號稱間接驅動是最皮實的方式，都費了這么大的力氣才實現。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室是非常有影響力的武器實驗室，幾百號人專門從事這方面的研究，實力不可小覷。
這也給我們一個啟示，要不斷通過實驗加深理解，然后修正模型，逐步逼近一個真實的狀態。這個工作不像以前做理論研究有固定公式，而是要構建理論體系，理論體系中還存在各種各樣的微擾，要把微擾量搞清楚，才會逼近真實。這是一個多維一體的科學工程，是非常復雜的大體系。
回過頭來看，中國為什么也在持續不斷研究激光核聚變？上海光機所建所的一個目標就是激光核聚變，我們這支隊伍將近60年一直沒有改變初衷，在國家的支持下，持續開展激光聚變研究。后續的重大研究計劃，也列入了國家項目持續支持。
澎湃科技：通過受控核聚變，未來可能實現商業電站，但仍然很久遠。
朱健強：可能需要幾十年的努力。
澎湃科技：要實現商業電站，還要經歷哪些研究過程？
朱健強：就像造飛機，一開始是概念，真正的商業都是要經過漫長的過程。光通訊也好，飛機也好，人造衛星也好，原子彈也好，構型是一個想象，真正做到應用，一定要有各種邊界條件。
首先，效率要高。一來涉及重復率，因為聚變能量是要有重復率的。打一發激光產生聚變，有能量產出了，下一發再過很長時間也不行。現在三四個小時打一次激光，肯定做不了電站，做電站至少一秒鐘打10次激光。激光要持續產生，這一類激光器就會發生很大的變化，現在的激光器是不能做這個事的。二來涉及轉換效率，現在做到輸出能量和輸入能量相當，做電站至少要輸出能量是輸入的百倍以上。這也是兩個挑戰，所以現在只是開了一扇門，這扇門開得非常精彩，門內更是精彩紛呈。
第二是要尋找更簡單、更高效的聚變方式。現在只是實現了點火，下一步可能要尋求最優的、最簡單的、性價比最高的方式去做商業。
瞄著這條路，未來會有很多的研究機構、大學，甚至公司投入更多精力發展。不僅僅是對科學目標，應該看到，作為激光聚變研究的大科學工程對國民經濟的推動作用也是巨大的。NIF每年派生出的技術產值效益號稱已經大大超過了美國對它的投入。盡管是大投入，但回報是非常大的，這也是美國持續支持這個領域發展的緣由之一。
中國激光核聚變研究在國際上是有影響力的。我們在國際競爭中嶄露頭角，在未來的能源建設過程中，這也是巨大的市場。全世界沒有幾個國家能夠設計和建造激光核聚變裝置，我國在該領域具備了體系性的核心競爭力，將來面對的是一個很寬闊的國際舞臺，也是展示中國能力的一個非常重要的顯示度。
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