世界最大激光器、被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置(NIF)正距離其目標越來越近，顯示了一個可持續核聚變反應裝置正在由夢想逐步成為現實。但由于基礎物理研究和工程技術的問題，要使核聚變達到能夠穩定輸出能量的水平，仍有顯著障礙需要克服。
中東的石油、南非的黃金……能源危機已經成為困擾人類發展的重要難題之一。據研究，地球數十萬年積聚下來的石油、煤炭、天然氣等化石能源總體上還可供人類使用100年左右。而當前使用的核能又因其巨大的安全風險，可持續性并不被人看好。因此，核聚變成為了人類暢想獲取“取之不盡，用之不竭”的能源的最佳途徑。
依據激光核聚變原理制造的、被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF）近日傳來消息，在全世界聚變裝置中獲里程碑式突破。
可控核聚變條件苛刻
上個世紀40年代，德國核物理學家奧多·哈恩和莉澤·邁特納發現了核裂變，但無論是利用該反應制造的核武器或是核電站，都因燃料本身以及反應產物產生的巨大輻射，令科學家不得不一直異常謹慎地對待它。
與之相反，太陽釋放出的巨大能量，由兩個氫原子核合為一個氦原子核的聚變反應而產生。相較于裂變，每個核子釋放的能量，也就是每千克聚變燃料釋放的能量更多，而且地球上聚變燃料的儲量更豐富，更重要的是，燃料以及聚變產生的輻射要遠遠小于裂變。
只是，所有原子核都帶正電，它們之間越接近，靜電斥力也就越強，完成聚變最重要的條件就是克服這種力量。太陽因其高達2000萬攝氏度的中心溫度，以及在自身強大重力的吸引下形成的超高的壓力狀態，才使得核聚變得以發生并持續。要在地球上完成這一過程，因為引力太小，壓力不夠，核聚變需要在更高的溫度下（這樣的溫度下物質處于等離子體狀態）才能進行。這也是可控核聚變如此艱難的原因。 顯然，為滿足可控核聚變苛刻的條件，首先要輸入大量的能量。當核聚變反應釋放的能量大于輸入的能量，這一臨界條件稱之為點火，才有能源應用的價值。實際上，由于創造聚變條件消耗的電能，一般要3倍于它的熱能才能生產出來，所以要使能量增益因子等于3時，才能真正地實現得失相當。
中國科技大學物理學院教授王曉方告訴筆者，如同日常生活中點燃柴火一樣，點火后不再需要外界供熱助燃，柴火燃燒釋放的熱能足以燃燒新的柴火，并使這樣的燃燒釋熱能夠持續，這才是真正實現了點火。柴火相當于核聚變中的等離子體狀態物質。
1957年，英國科學家勞遜提出了達到點火的一般性條件，也稱為得失相當條件，即勞遜判據。對于氘氚聚變，為了較容易實現，要求等離子體的溫度達到1億攝氏度。
美國點火計劃在麻煩中前行
在地球上，核聚變最先是在氫彈中大量產生的。在氫彈中，引爆用的原子彈所產生的高溫高壓，使氫彈中的聚變燃料擠壓在一起，由于物質的慣性，在飛散之前產生大量聚變（也叫慣性約束核聚變）。只不過，氫彈爆炸威力巨大，人類無法控制它。
上個世紀60年代，利用該原理，前蘇聯科學家提出并證明了激光可以使氘氚發生聚變。直到2009年，耗資35億美元的美國國家點火裝置（簡稱NIF）終于讓科學家看到了激光核聚變實現的可能性，人類寄希望于能從該實驗室中獲得“取之不盡，用之不竭”的清潔核能。
這個世界上最大的激光聚變機器坐落在加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的一個特大號“倉庫”里。在裝置內部，激光器會產生192條激光束，射向一個含氘氚的氫球形靶丸上使其崩潰，并產生一億攝氏度左右的高溫，從而觸發氫原子聚變，釋放大量能量。激光和氫靶丸的碰撞過程極其短暫，僅持續數幾個納秒（1納秒等于10億分之1秒）。為了達至臨界點或者說點燃反應堆，激光器的設計能量為1.8兆焦耳。
早在去年，據《自然》雜志報道，被稱為“人造太陽”的美國國家點火裝置（NIF）所發射出的激光已經達到了2兆焦，也是激光向核聚變能源邁出的第一步。
近日，據BBC新聞網10月7日報道，在9月末進行的一次聚變實驗中，聚變反應釋放出的能量超過了氫燃料球吸收的能量——在全世界聚變裝置中取得了里程碑突破。不過，記者尚未在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室官方網站上看到該消息。
事實上，NIF項目并非一帆風順，NIF研究團隊點火目標的推進曾一推再推。據《科學美國人》報道，去年美國國家科學院專家小組的一份中期報告顯示，NIF激光觸發核聚變的方法并不被十分看好。 王曉方告訴筆者，激光器的發射重復率還很低，無法持續聚變產能。“這是因為，目前激光器所使用的玻璃放大介質無法滿足既在單位時間內能發射更多次數，又保證激光束的質量。”
目前，NIF的激光器每天只能發射幾次。只有當每秒鐘發生三四次甚至更多的核聚變且連續不斷地進行下去，并且每次聚變的能量增益達到10～100倍，才能實現實用化。
“為了提高激光發射的重復率，科學家也在研發新型激光器，比如半導體激光泵浦，還有光纖激光器等。”但王曉方表示，這些激光器尚不能做成足夠的規模，激光輸出的能量還不足以來實現聚變點火。“目前，還沒有找到提高激光發射重復率從而持續聚變產能的好辦法。”
據了解，近日，NIF研究團隊已經將激光對準了真正的燃料球，實驗更進一步，但點火靶球卻在極端的溫度和壓力下屢次過早破裂。不難看出，美國國家點火裝置的麻煩始終與新進展同在。
核聚變研究期待新突破
事實上，除慣性約束核聚變以外，最先被科學家發現，也是至今最被看好的核聚變是磁約束。為實現磁力約束，需要一個能產生足夠強的環形磁場的裝置，上世紀50年代，這種裝置就被稱作“托克馬克”裝置。王曉方告訴筆者，從工作原理來說磁約束更適合持續提供聚變能。
倡議于1985年的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃，是目前全球最大的磁約束核聚變實驗項目，由美國、歐盟、俄羅斯、日本、韓國、印度和中國共同參與。ITER裝置是一個能產生大規模核聚變反應的“超導托克馬克”。作為聚變能實驗堆，ITER計劃把上億攝氏度、由氘氚組成的高溫等離子體約束在體積達837立方米的磁場中，產生50萬千瓦的聚變功率，持續時間達500秒。不過，目前為止，該項目還一直在追加預算，在工程技術上也依然存在問題，進展遲緩。
王曉方表示，ITER還只是一個實驗計劃，即使ITER獲得成功，還要建造新的聚變反應堆，才可能進入能源實用化階段。
而磁約束之所以比慣性約束更被看好，還有一個原因是，NIF的設計初衷是用于測試核武器可靠性，是美國“無爆炸核試驗”不可或缺的部分。此外，也能被用來模擬超新星、黑洞邊界、恒星和巨大行星內核的環境，進行科學試驗。慣性約束一直被認為是由涉及國家安全和武器研發的政府和聯合企業所資助的，它們研究核聚變是為了武器開發，而不是用于民用電廠。
但美國核武器獨立專家理查德·加溫曾在接受媒體采訪時表示，NIF裝置中的溫度遠遠低于真正的核武器所產生的溫度，他并不支持慣性約束的研發與核武器測試直接相關。
清華大學核能與新能源技術研究院一位不愿透露姓名的專家在接受筆者采訪時表示，根據當前的材料和工程技術，核聚變遠不能達到穩定輸出能量的水平。他認為，核聚變實用化的關鍵還是來自材料領域的革命性突破。
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