耗資35億美元的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置用了10多年時(shí)間不斷沖擊點(diǎn)火目標(biāo)，過(guò)程一波三折。成功點(diǎn)火后有兩條路可走。一是沖刺更高的能量增益，未來(lái)或?qū)⒃俳ǜ竽芰康募す庋b置。二是尋求更加簡(jiǎn)單的點(diǎn)火方式，往實(shí)用方面繼續(xù)開(kāi)展研究。
·對(duì)于中國(guó)的核聚變研究者來(lái)說(shuō)，要不斷通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深理解、修正模型，逐步逼近一個(gè)真實(shí)的狀態(tài)。具備了激光核聚變的競(jìng)爭(zhēng)力，將來(lái)面對(duì)的是一個(gè)寬闊的國(guó)際舞臺(tái)。
美國(guó)能源部發(fā)布視頻，公布勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室激光核聚變點(diǎn)火成功的消息。
北京時(shí)間12月13日，美國(guó)能源部官員宣布，由美國(guó)政府資助的加州勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達(dá)到153%。3.15兆焦耳的能量相當(dāng)于二兩炸藥的爆炸威力。
“這是世界上首次激光核聚變點(diǎn)火。”中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、高功率激光物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任朱健強(qiáng)12月13日晚在接受澎湃科技（www.thepaper.cn）專訪時(shí)表示，美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF）的點(diǎn)火工作開(kāi)啟了一扇新的大門，“未來(lái)一定會(huì)有更豐富的物理，會(huì)有更挑戰(zhàn)性的問(wèn)題提出并共同沖刺，這是非常了不起的。”
10多年沖擊點(diǎn)火目標(biāo)，過(guò)程一波三折
核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象，它是恒星（例如太陽(yáng)）的能量來(lái)源。核聚變能也是全世界能源發(fā)展的前沿方向，被視為未來(lái)社會(huì)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(huán)境危機(jī)困擾。到目前為止，人類對(duì)受控核聚變的研究主要分為兩類，一種是磁約束核聚變，另一類就是此次成功點(diǎn)火的激光核聚變。
耗資35億美元的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置位于勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，最初是為了通過(guò)模擬爆炸來(lái)測(cè)試核武器，后用于推進(jìn)聚變能研究。占地面積有三個(gè)足球場(chǎng)大的NIF從2010年開(kāi)始正式的點(diǎn)火試驗(yàn)，美國(guó)用了10多年時(shí)間不斷沖擊點(diǎn)火目標(biāo)，過(guò)程一波三折。
2014年，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家獲得成果，但當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的能量非常小，相當(dāng)于一個(gè)60瓦的燈泡在5分鐘內(nèi)消耗的能量。2021年8月，NIF在一次聚變反應(yīng)中產(chǎn)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(méi)有再現(xiàn)去年8月的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。朱健強(qiáng)說(shuō)，“雖然當(dāng)時(shí)重復(fù)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功，但里面的問(wèn)題更加清晰，在以后的實(shí)驗(yàn)中就可以規(guī)避。今年9月份又成功再現(xiàn)了一次去年的結(jié)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(gè)里程碑式的工作。”
朱健強(qiáng)分析，NIF成功點(diǎn)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?qū)⒃俳ǜ竽芰康募す庋b置。二是尋求更加簡(jiǎn)單的點(diǎn)火方式，往實(shí)用方面繼續(xù)開(kāi)展研究。
一位藝術(shù)家為NIF實(shí)驗(yàn)中的燃料艙所作的插畫。
建設(shè)商業(yè)電站仍需幾十年，幾大挑戰(zhàn)要解決
美國(guó)能源部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆表示，美國(guó)首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)凈能量增益是一項(xiàng)“里程碑式的成就”。這項(xiàng)成果預(yù)計(jì)將可能幫助人類在實(shí)現(xiàn)零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步。
勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任金·布迪爾（Kim Budil）在13日的新聞發(fā)布會(huì)上表示，如果想將這一成果商業(yè)化，核聚變技術(shù)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任金·布迪爾博士在能源部舉行的新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)。圖片來(lái)源：Chip Somodevilla/Getty Images
朱健強(qiáng)表示，要建成商業(yè)電站仍需幾十年的努力。從概念真正做到應(yīng)用一定要有各種邊界條件。首先，激光驅(qū)動(dòng)器要高重頻工作，相比當(dāng)下三四個(gè)小時(shí)打一發(fā)激光，驅(qū)動(dòng)器的工作體制肯定和現(xiàn)在不同，建電站至少一秒鐘打10次激光，這不是現(xiàn)有激光器所具有的能力。同時(shí)，輸出能量的能量增益要達(dá)到百倍以上，才有可能探索電站建設(shè)。此外，要尋找更簡(jiǎn)單、更高效、性價(jià)比更高的聚變方式。朱健強(qiáng)表示，“現(xiàn)在只是開(kāi)了一扇門，這扇門開(kāi)得非常精彩，門內(nèi)更是精彩紛呈。”
上世紀(jì)60年代，激光一誕生，世界各國(guó)的科學(xué)家就開(kāi)展了激光核聚變研究。NIF的點(diǎn)火成功是將近60年的努力，是好幾代人的不懈追求。朱健強(qiáng)表示，NIF的點(diǎn)火增強(qiáng)了這一領(lǐng)域的研究信心，對(duì)于中國(guó)的激光核聚變研究者來(lái)說(shuō)，要不斷通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深理解、修正模型，逐步逼近一個(gè)真實(shí)的狀態(tài)。“這個(gè)工作不像以前做理論研究有固定公式，而是要構(gòu)建理論體系，理論體系中還存在各種各樣的微擾量，要把微擾量搞清楚，才會(huì)逼近真實(shí)。”
激光核聚變是科學(xué)和工程相結(jié)合的大項(xiàng)目，也代表一個(gè)國(guó)家的實(shí)力。“全世界沒(méi)有幾個(gè)國(guó)家能夠設(shè)計(jì)和建造激光核聚變裝置，我國(guó)在該領(lǐng)域具備了體系性的核心競(jìng)爭(zhēng)力，將來(lái)面對(duì)的是一個(gè)很寬闊的國(guó)際舞臺(tái)，也是展示中國(guó)能力的一個(gè)非常重要的顯示度。”
以下是澎湃科技與中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、高功率激光物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任朱健強(qiáng)的對(duì)話實(shí)錄。
澎湃科技：怎么看待這次NIF成功點(diǎn)火？
朱健強(qiáng)（中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、高功率激光物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任）：這是世界上首次激光核聚變點(diǎn)火。激光核聚變的發(fā)展是一個(gè)非常曲折的過(guò)程。上世紀(jì)60年代，激光一誕生，科學(xué)家就開(kāi)展了激光核聚變的研究。所以NIF成功點(diǎn)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(gè)科學(xué)目標(biāo)，同時(shí)又是一個(gè)科學(xué)和工程相結(jié)合的大項(xiàng)目，是與人類關(guān)系最為密切的一個(gè)項(xiàng)目，也代表一個(gè)國(guó)家的實(shí)力。美國(guó)科學(xué)家不懈努力，在近期獲得了一個(gè)重要的進(jìn)展，對(duì)同行來(lái)講，是非常令人舞的事。
從去年8月開(kāi)始，NIF就有了達(dá)到臨界點(diǎn)火狀態(tài)的苗頭，我們內(nèi)部也在判斷，認(rèn)為它在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的可能性還是很大的。原來(lái)NIF的科學(xué)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)10倍能量增益，現(xiàn)在做到1倍以上，得失相當(dāng)，我覺(jué)得這就是一個(gè)里程碑式的工作，1倍以上就代表點(diǎn)火了。所以從這個(gè)角度看，美國(guó)基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火的預(yù)期目標(biāo)，后面它肯定會(huì)沖刺更高增益的點(diǎn)火，同時(shí)也會(huì)在全球掀起一個(gè)研究高潮。
這么大的成功是建立在以前多次失敗的基礎(chǔ)上。縱觀六十年的研究歷史，對(duì)激光核聚變的研究盡管沒(méi)有取得預(yù)期目標(biāo)，但依然沒(méi)有下馬，也說(shuō)明了激光核聚變的重要價(jià)值，今天聚變點(diǎn)火的成功，可以預(yù)期今后激光聚變研究將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。
澎湃科技：點(diǎn)火也稱為能量增益。
朱健強(qiáng)：能量增益就是輸入進(jìn)去多少能量，聚變反應(yīng)后能輸出多少能量，也就是產(chǎn)出和輸入的能量比。能量增益為1就意味著打進(jìn)去多少能量，聚變反映出來(lái)多少能量。凈能量增益就是輸出的能量超過(guò)了輸入的能量。
澎湃科技：7月份，《自然》報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家后來(lái)未能復(fù)制2021年8月創(chuàng)紀(jì)錄的實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明研究人員無(wú)法精確地理解、設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)這些能量下的實(shí)驗(yàn)。
朱健強(qiáng)：這里面的問(wèn)題是非常復(fù)雜的，因?yàn)榧す饩劢构獍呒皩?shí)驗(yàn)用靶的狀態(tài)，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(tài)下，激光核聚變?cè)诮⒌倪^(guò)程中有很多隨機(jī)性，是不可確定的。所以每一次的實(shí)驗(yàn)可能都會(huì)有漲落，有了第一次成功的經(jīng)驗(yàn)，奠定了將來(lái)的高追求成功率的基礎(chǔ)。
美國(guó)原來(lái)在做點(diǎn)火工程的過(guò)程中，NIF的設(shè)計(jì)目標(biāo)是輸出的能量要比目前常規(guī)運(yùn)行的高，設(shè)計(jì)的大概是2.4兆焦耳，但實(shí)際運(yùn)行只有1.4兆焦耳，主要是后來(lái)的一些損傷導(dǎo)致激光器不能正常運(yùn)行，所以沒(méi)有很好實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火預(yù)期。
這就造成了一個(gè)誤區(qū)，以為美國(guó)點(diǎn)不了火，實(shí)際上它的體系是強(qiáng)大的。美國(guó)有一種理論叫營(yíng)地戰(zhàn)術(shù)，一個(gè)問(wèn)題一個(gè)問(wèn)題地解決。營(yíng)地戰(zhàn)術(shù)的核心是頂尖科學(xué)家能指出營(yíng)地在哪里，才能逐步推進(jìn)解決問(wèn)題。所以NIF成功點(diǎn)火非常不容易，最頂尖的專家能在不確定的情況下構(gòu)建出理論構(gòu)架、模擬仿真，制定出實(shí)驗(yàn)方案，逐步逼近點(diǎn)火。
NIF建完以后，美國(guó)用了10多年時(shí)間不斷沖擊點(diǎn)火目標(biāo)，過(guò)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(huì)得到一個(gè)很好的結(jié)果。但非常遺憾，去年9、10月份想沖刺更高的增益，結(jié)果沒(méi)有再現(xiàn)去年8月份的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這實(shí)際上是考驗(yàn)科學(xué)家意志和能力的時(shí)候了，總是沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)肯定會(huì)受到質(zhì)疑。雖然當(dāng)時(shí)重復(fù)實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功，但里面的問(wèn)題更加清晰，在以后的實(shí)驗(yàn)中就可以規(guī)避，今年9月份又成功再現(xiàn)了一次去年的結(jié)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(dāng)于二兩炸藥的爆炸威力。這是非常了不起的一個(gè)里程碑式的工作。美國(guó)能源部正式公布這個(gè)消息，向全世界正式宣布點(diǎn)火成功。
澎湃科技：實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火后，接下來(lái)的研究方向會(huì)是什么樣的？
朱健強(qiáng)：目前來(lái)講有兩條路。一是往更高的增益上走，當(dāng)然這有很大難度，實(shí)際上美國(guó)的激光器能力已經(jīng)到極限，原先設(shè)計(jì)的輸出能量是2.4兆焦耳，現(xiàn)在也無(wú)法在2.4兆焦耳下運(yùn)行，當(dāng)初能量沒(méi)打上去就是因?yàn)榧す馄鞯慕K端損傷嚴(yán)重，這次沖刺以后可能要再擴(kuò)建更大能量的激光裝置。二是尋求更加皮實(shí)、簡(jiǎn)單的點(diǎn)火方式。科學(xué)目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，接下來(lái)怎么在懸崖上走得更加穩(wěn)健、皮實(shí)，就需要往實(shí)用方面繼續(xù)開(kāi)展研究。
NIF的點(diǎn)火工作已經(jīng)開(kāi)啟了一扇新的大門，原來(lái)是探索門怎么開(kāi)，現(xiàn)在門開(kāi)了，里面是另外一番風(fēng)景，未來(lái)一定會(huì)有更豐富的物理，會(huì)有更挑戰(zhàn)性的問(wèn)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(jiǎn)單的點(diǎn)火方式，目前NIF使用的是傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火方式。
朱健強(qiáng)：NIF是間接驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)火方式。點(diǎn)火方式目前來(lái)講公認(rèn)的有三種物理模型，一是NIF做的中心點(diǎn)火，這種方式不光可以用來(lái)點(diǎn)火，對(duì)國(guó)防安全、戰(zhàn)略安全是有很大用處的。二是直接驅(qū)動(dòng)，未來(lái)的能源，我認(rèn)為直接驅(qū)動(dòng)的可能性是最大的。直接驅(qū)動(dòng)的好處是皮實(shí)、簡(jiǎn)單，激光直接輻照，不需要能量間接轉(zhuǎn)移，直接驅(qū)動(dòng)是未來(lái)必然的探索。三是快點(diǎn)火，點(diǎn)火需要高溫、高密度，快點(diǎn)火把兩個(gè)狀態(tài)解耦，先產(chǎn)生高密度，再加溫。這是一種新型的點(diǎn)火方式，這個(gè)方式會(huì)得到非常高的效率，中國(guó)科學(xué)院早在2020年就支持我們開(kāi)展做這方面的攻關(guān)，張杰院士是首席科學(xué)家。
澎湃科技：接下來(lái)有哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)？
朱健強(qiáng)：機(jī)遇就是美國(guó)點(diǎn)火成功了，對(duì)未來(lái)的發(fā)展增強(qiáng)信心，我們國(guó)家也會(huì)有更大的投入。
快點(diǎn)火也好，直接驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火也好，遇到的問(wèn)題很多。美國(guó)號(hào)稱間接驅(qū)動(dòng)是最皮實(shí)的方式，都費(fèi)了這么大的力氣才實(shí)現(xiàn)。勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是非常有影響力的武器實(shí)驗(yàn)室，幾百號(hào)人專門從事這方面的研究，實(shí)力不可小覷。
這也給我們一個(gè)啟示，要不斷通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深理解，然后修正模型，逐步逼近一個(gè)真實(shí)的狀態(tài)。這個(gè)工作不像以前做理論研究有固定公式，而是要構(gòu)建理論體系，理論體系中還存在各種各樣的微擾量，要把微擾量搞清楚，才會(huì)逼近真實(shí)。這是一個(gè)多維一體的科學(xué)工程，是非常復(fù)雜的大體系。
回過(guò)頭來(lái)看，中國(guó)為什么也在持續(xù)不斷研究激光核聚變？上海光機(jī)所建所的一個(gè)目標(biāo)就是激光核聚變，我們這支隊(duì)伍將近60年一直沒(méi)有改變初衷，在國(guó)家的支持下，持續(xù)開(kāi)展激光聚變研究。后續(xù)的重大研究計(jì)劃，也列入了國(guó)家項(xiàng)目持續(xù)支持。
澎湃科技：通過(guò)受控核聚變，未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)電站，但仍然很久遠(yuǎn)。
朱健強(qiáng)：可能需要幾十年的努力。
澎湃科技：要實(shí)現(xiàn)商業(yè)電站，還要經(jīng)歷哪些研究過(guò)程？
朱健強(qiáng)：就像造飛機(jī)，一開(kāi)始是概念，真正的商業(yè)都是要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的過(guò)程。光通訊也好，飛機(jī)也好，人造衛(wèi)星也好，原子彈也好，構(gòu)型是一個(gè)想象，真正做到應(yīng)用，一定要有各種邊界條件。
首先，效率要高。一來(lái)涉及重復(fù)率，因?yàn)榫圩兡芰渴且兄貜?fù)率的。打一發(fā)激光產(chǎn)生聚變，有能量產(chǎn)出了，下一發(fā)再過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間也不行。現(xiàn)在三四個(gè)小時(shí)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(xù)產(chǎn)生，這一類激光器就會(huì)發(fā)生很大的變化，現(xiàn)在的激光器是不能做這個(gè)事的。二來(lái)涉及轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)在做到輸出能量和輸入能量相當(dāng)，做電站至少要輸出能量是輸入的百倍以上。這也是兩個(gè)挑戰(zhàn)，所以現(xiàn)在只是開(kāi)了一扇門，這扇門開(kāi)得非常精彩，門內(nèi)更是精彩紛呈。
第二是要尋找更簡(jiǎn)單、更高效的聚變方式。現(xiàn)在只是實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火，下一步可能要尋求最優(yōu)的、最簡(jiǎn)單的、性價(jià)比最高的方式去做商業(yè)。
瞄著這條路，未來(lái)會(huì)有很多的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)，甚至公司投入更多精力發(fā)展。不僅僅是對(duì)科學(xué)目標(biāo)，應(yīng)該看到，作為激光聚變研究的大科學(xué)工程對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)作用也是巨大的。NIF每年派生出的技術(shù)產(chǎn)值效益號(hào)稱已經(jīng)大大超過(guò)了美國(guó)對(duì)它的投入。盡管是大投入，但回報(bào)是非常大的，這也是美國(guó)持續(xù)支持這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展的緣由之一。
中國(guó)激光核聚變研究在國(guó)際上是有影響力的。我們?cè)趪?guó)際競(jìng)爭(zhēng)中嶄露頭角，在未來(lái)的能源建設(shè)過(guò)程中，這也是巨大的市場(chǎng)。全世界沒(méi)有幾個(gè)國(guó)家能夠設(shè)計(jì)和建造激光核聚變裝置，我國(guó)在該領(lǐng)域具備了體系性的核心競(jìng)爭(zhēng)力，將來(lái)面對(duì)的是一個(gè)很寬闊的國(guó)際舞臺(tái)，也是展示中國(guó)能力的一個(gè)非常重要的顯示度。
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