近日，美國能源部部長詹妮弗·格蘭霍姆宣布，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員利用“國家點火裝置”（NIF）總能量為2.05兆焦耳的192路激光束，球對稱聚焦在微型氘氚燃料靶丸上，產生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出。據介紹，該成果跨越了聚變點火閾值，歷史性地實現了凈能量增益（G>1.5）。與此同時，實驗的成功也證實了慣性聚變能源的科學基礎。
此項成果將給能源變革及可控核聚變技術路線等帶來怎樣的影響？近日，針對相關問題，《中國科學報》專訪了中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員張杰。
作為激光等離子體物理學家，過去3年里，張杰帶領一個由中科院內外15個單位的研究人員組成的聯合研究團隊，利用中科院上海光學精密機械研究所神光II升級大型強激光實驗研究平臺，對新型激光核聚變方案開展了8輪大型聯合實驗研究。在他看來，美國NIF團隊取得的新成果從科學原理和工程技術上驗證了激光核聚變反應實現凈能量增益的可行性，是人類邁向聚變能時代的一個重要里程碑。
兩條路線會同時推進
《中國科學報》：NIF團隊此次成果的意義何在？是不是可以理解為慣性約束聚變路線已經超越了磁約束聚變路線？
張杰：慣性約束聚變路線與磁約束聚變路線是人類實現受控核聚變反應的兩條主要技術路線。目前，這兩條路線所處的發展階段是類似的，都到了跨越“門檻”的關鍵時刻。
根據美國能源部新聞發布會上的信息，氘氚核聚變反應釋放了大約3.15兆焦的聚變能，大約是用于壓縮和加熱氘氚燃料靶丸驅動激光能量的1.5倍，實現了核聚變反應輸出能量大于驅動激光能量的“點火”目標。
當然，目前的突破相對于實現聚變能應用的目標還有很長的路要走。雖然這次NIF實驗首次成功實現了與驅動激光能量相比的凈能量增益“點火”，但這個“點火”與發電站用的Q值（輸出能量與輸入能量之比）并非同一個概念，因為產生NIF裝置2.05兆焦耳的驅動激光能量還需要耗費322兆焦電能。
那么，為什么這次進展如此令人興奮呢？從能源角度看，人類歷次工業革命的根本驅動力都是以提高化石能源使用效率為基礎的。面向未來可持續發展的需求，人類社會迫切需要更高能量密度、更安全經濟的非碳終極能源——核聚變能。從這個意義上說，NIF實驗的“點火”成功首次展示了人類脫離化石能源進入聚變能時代的潛力。因此可以說，這次實驗結果是人類邁向核聚變能時代的里程碑。
《中國科學報》：您在2021年初時曾說過，激光聚變研究走到了“門檻”。如今這個“門檻”是否跨過去了？下一個“門檻”又會是什么？
張杰：在2021年初，我的確說過，核聚變反應單位質量的輸出能量比化石燃料高數百萬倍，在反應過程中不排放碳、不產生長壽命的放射性廢物，而且核聚變燃料極其豐富，因此被稱為未來人類社會可持續發展的“終極”能源。經過世界各國科學家60多年堅持不懈的研究，人類已經走到核聚變反應的“點火”門檻。
這次NIF實驗結果表明人類已經跨過了這道門檻，證明了在實驗室實現凈能量增益可控核聚變的科學可行性，也為下一步聚變能源應用打下了基礎。當然，如果從激光聚變能源應用角度看，前面還有很長的路要走。下一步激光聚變研究的焦點將從追求“點火”目標變為追求更高能量增益的聚變方案，再到實現聚變發電。
無論是慣性約束核聚變還是磁約束核聚變，在跨過“點火”目標的門檻之后，作為未來能源應用的共同目標依然是實現核聚變輸出能量達到輸入能量的10倍、30倍、100倍增益，獲得近乎取之不盡、用之不竭的清潔能源。
《中國科學報》：美國能源部正在重啟慣性核聚變能計劃。目前NIF取得的成果是否會使全球將更多經費投入慣性約束核聚變而非磁約束核聚變領域？
張杰：對于目前世界幾個全力推進可控核聚變研究的大國來說，磁約束和慣性約束核聚變這兩條路線依然會同時推進。
10多年前，科學界、國家科技決策層經過共同討論，最終達成了我國加入國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）的共識。從目前看，中國對ITER的貢獻已遠遠超過了預期，這足以說明我國對磁約束核聚變路線的重視。不管是ITER還是東方超環，這種已經形成廣泛共識的項目都不會因為NIF這次成果而停下來。當然，我國對慣性約束聚變研究的努力一定會因此得到激勵。
聚變輸出能量或可非線性提高
《中國科學報》：關于輸入能量，之前NIF一直輸入的是1.9兆焦，但這次提升到了2.05兆焦。2.05兆焦是否是目前全世界能輸出的最大激光能量？
張杰：NIF是目前世界上最大和最復雜的激光光學系統，長215米、寬120米，大約相當于3個足球場的面積。從1997年開工到2009年正式落成，其總計投入在35億美元以上，如果加上過去10多年在相關研究上的投入，總經費達數十億美元之多。
由于這次實驗的重要性，NIF這一輪實驗中使用的驅動激光能量從1.9兆焦提高到2.05兆焦，看似提高不多，但其實已經逼近NIF激光能量的最大輸出極限。未來，他們還會進一步努力提高驅動激光的能量，希望在更高的驅動激光能量下獲得更好的結果。
《中國科學報》：發布會上提到，NIF在2022年9月進行了不同的設計。據您所知，他們在設計上做了怎樣的調整？
張杰：這次NIF實驗將2.05兆焦的激光能量通過192路激光束聚焦到2毫米的重金屬黑腔內，把激光能量轉化為均勻的X射線輻射，X射線再對氘氚靶丸進行壓縮和加熱，從而將燃料靶丸壓縮到太陽內核的溫度和壓力，實現聚變點火。
在2021年8月8日之前，他們的設計方向主要是對靶進行優化，包括空腔、氘氚靶丸及燒蝕層等。優化的結果是8月8日取得了破紀錄的聚變反應——產生了1.35兆焦耳的能量，約為輸入激光能量的70%，是世界上最接近凈能量增益的一次。
此后，他們將優化設計的方向調整到了輻射場的均勻度上，并取得了新進展。激光束和激光束之間的能量轉移原本是一個副作用，現在他們掌握了把副作用變成有利效應的方法，可以讓內部輻射場均勻化且均勻度好于1%，這應該是他們這次取得的最大技術進步。同時，經過對激光能量的進一步提高以及對靶丸燒蝕層厚度的微調，2022年12月5日，NIF終于實現了凈能量增益的聚變“點火”。
《中國科學報》：按照NIF目前的技術設計，有沒有可能進一步提高能量增益？
張杰：在這次新聞發布會上，他們提到“要進一步提高驅動激光的能量，希望能夠獲得更大的聚變能”。從這句話里能夠感覺到，他們對于用同樣激光能量獲得更大聚變能量輸出是有所保留的。
但可以確認的是，假如這個結果可以重復的話，之后如果他們進一步提高驅動激光能量，我相信聚變輸出的能量會進一步提高，而且很有可能不是線性提高，而是非線性提高。
與美國不同的激光聚變實驗正在進行中
《中國科學報》：目前我國在可控核聚變方面的整體研究布局情況如何？
張杰：在磁約束核聚變方面，早在上世紀70年代，中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所就開始了核聚變相關研究，并于上世紀90年代啟動磁約束核聚變能技術——超導托卡馬克的研究。
2006年，被譽為“人造太陽”的東方超環正式建成，成為我國自行設計研制的國際首個全超導托卡馬克裝置。同年，以中科院為主導的中國團隊加入ITER，成為全球探索“人造太陽”新能源隊伍中的重要一員。
在慣性約束核聚變研究方面，上世紀60年代，我國科研人員就在王淦昌先生的倡議下在中科院上海光學精密機械研究所開啟了激光慣性約束核聚變研究。上世紀80年代，該所開啟了大型綜合性激光裝置——“神光”的預研工作。該裝置于1986年建成，被稱為“神光I”。2000年和2015年，我國又先后建成神光II激光裝置和神光III主機激光裝置并投入使用。
2020年，中科院啟動了新型激光聚變方案的先導專項研究，采用與美國完全不同的激光聚變方案，希望大幅度提高激光聚變點火的能量轉換效率。目前相關理論與實驗研究正在進行中。
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