本周，一條消息刷爆了朋友圈：美國能源部12月13日宣布，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（NIF）首次實現了所謂的“能量凈增益”，即核聚變反應產生的能量超過輸入的能量。不少媒體對此跟進,出現了諸如“核聚變里程碑式突破，人類將告別化石能源時代？”等文章。

那么，是真的嗎？實際上，美國“核聚變點火”與聚變能商用化之間的距離仍遙如天塹。除了能源屬性之外，該事件中的“弦外之音”同樣值得關注。

復刻太陽的聚變約束，難在哪？

按照國際原子能機構（IAEA）的定義，核能是從質子和中子組成的原子核（原子的核心）釋放的一種能量形式，可以通過兩種方式產生：裂變——原子核分裂成若干部分，或聚變——原子核融合在一起。

當下我們討論核電站時，討論的往往是各種“水堆”，包括輕水堆、重水堆、沸水堆等等。這源于現時商業化運轉中的反應堆多是第二代反應堆與少數第三代反應堆系統，其冷卻劑甚至慢化劑基本都是水。隨著第三代反應堆即將進入大規模商運，第四代反應堆技術已不再遙遠。近年來有關聚變研究進展的新聞并不鮮見，聚變堆發電似乎也已雛形顯現。

早在近四十年前，中國就已制定從核裂變向聚變跨越的路徑。1983年6月，國務院科技領導小組主持召開專家論證會，提出了中國核能發展“三步走（壓水堆—快堆—聚變堆）”的戰略，以及“堅持核燃料閉式循環”的方針。這一戰略在后續諸多重要文件中不斷被重申。

我們現在處于什么階段呢？聚變能商用化是不是真的已經在路上了？

先說結論：總體來說，我國目前仍處于“三步走”戰略的第一階段，未來一段時期內核電建設仍將以壓水堆為主?？於训难芯抗ぷ魅〉昧撕艽筮M展，示范快堆工程計劃于2023年建成投產。而聚變堆仍處于研究初期，離商用發電還有很長一段距離。

自世界上第一顆氫彈爆炸以來，把聚變能變成像裂變能一樣可控制利用一直是核科學家們夢寐以求的目標，與核裂變相比，核聚變具有幾個突出優點：

1）燃料豐富。聚變反應的主要原料為氘和氚，主要來源于海水。地球海水中有 45萬億噸氘，地球上蘊藏的聚變能為裂變能的1000萬倍，可謂取之不竭；

2）燃料成本低廉。1千克氘的價格僅為同等質量濃縮鈾的10%，在聚變電站的一次性投資中，燃料費用僅占總投資的1%；

3）環境污染小，運行安全。聚變反應幾乎沒有長壽命的放射性核素，氘和氚的聚合只能產生高能中子和α粒子，都不具有放射性，這給聚變堆的運行安全和退役帶來了便利。聚變堆是次臨界堆，反應堆中的氘和氚數量很少，發生聚變反應的條件十分苛刻，任何時空的燃燒都將迅速消耗盡全部燃料，破壞反應條件，故聚變堆不會發生意外失控事故；

4）反應釋放能量巨大。不論是聚變反應還是裂變反應，產生的能量都來自核反應前后的質量虧損，一次聚變反應使4‰的物質轉化為能量，而一次裂變反應使 1‰的物質轉化為能量，從質能轉換的角度來看聚變反應釋放的能量比裂變反應大。

基于此，核聚變成為未來能源技術發展的主要方向之一，也是目前認識到的可以最終解決人類社會能源問題和環境問題、推動人類可持續發展的重要途徑之一。每一次核聚變研究出現突破，無一例外都會極大觸動媒體的神經并引發大眾熱議。

實際上，核聚變是宇宙中最為常見的反應，也是宇宙中絕大部分恒星能量的來源。太陽就是一顆不停進行著聚變反應的大火球。

從反應條件來看，核裂變的原子核質量較大，且本身不穩定，因此只要常溫常壓環境就能實現裂變反應；核聚變反應則不同，需要克服原子核之間巨大的靜電排斥力。沒有足夠的能量或特殊環境去打破靜電排斥力的臨界點，人們就無法把原子核融合在一起，同時釋放出巨大能量。

核聚變反應發生在一種叫作等離子體的物質狀態中。等離子體是一種由正離子和自由移動的電子組成的高溫帶電氣體，具有不同于固體、液體和氣體的獨特性質。簡單地說，核聚變是兩個輕原子核結合成一個較重的原子核并釋放出巨大能量的過程。但這一結合需要克服原子核之間的靜電排斥力才能進行。

如何克服？高溫高壓。比如太陽，巨大的質量使其內部形成高達2000億個大氣壓的超高壓力，再加1500萬度的溫度，可以把氫原子聚變成為氦原子。如何把需要這種極端條件的核聚變反應復刻到地球上實現并為人類所用，常被形象地稱為“人造太陽”。

技術上而言，其實人類很早就在地球上實現了核聚變，那就是氫彈。

美國和蘇聯分別在20世紀50年代完成了各自的第一顆氫彈。接近70年過去了，人類為何還沒有將核聚變能民用化呢？這涉及到核聚變能民用的另外一個關鍵詞——“約束”。

直白點說，就是如何將氫彈一瞬間爆發的能量，像太陽一樣，讓其緩緩均勻流淌。我們很自然地會想到，太陽是如何實現聚變約束的，復刻不就行了嗎？

太陽內部的核聚變反應使其核心區壓力巨大（約是2500億個地球大氣壓），并產生巨大的向外壓力，而這個由熱核反應產生的向外壓力，與外層質量因引力而產生的向內壓縮力形成抗衡。正所謂大道至簡，巧妙的“左右互搏”讓太陽的核聚變反應異常穩定。

但很顯然，我們無法把上述條件復刻到地球上來。因此在地球上的“人造太陽”約束路線還需另想辦法，目前全球正在研究的可控核聚變技術路線，主要包括磁約束(Magnetic Confinement Fusion，簡稱MCF)和慣性約束(Inertial Confinement Fusion，簡稱ICF)。

磁約束，顧名思義，需要用磁場來約束聚變物質，目前最常見的裝置為托卡馬克、仿星器等。比如該路線的主攻方向之一采用托卡馬克（Tokamak）裝置，這是一種環形容器，用磁場形成一個“磁籠”將等離子體束縛住，創造氘、氚實現聚變的環境和超高溫，實現受控核聚變。這種裝置又稱環磁機，名字來源于其的關鍵詞——環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnet）、線圈（kotushka）。   

當前國際上具有代表性的托克馬克裝置包括美國DIIID、歐洲的JET、日本JT-60、我國的EAST和HL-2M等。此外，由多國合作建設的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃也是基于超導托卡馬克，中國是該項目的主要成員方之一。

慣性約束路線，則是利用內爆產生的向心運動物質的慣性來約束高溫熱核燃料等離子體。有點類似太陽那種雙力“左右互搏”的味道，可用于慣性約束的驅動器主要包括高功率激光裝置、Z箍縮裝置和重離子束裝置等。

從技術角度來看，目前國際慣性約束聚變研究的重點是激光驅動慣性約束聚變(Laser Inertial Confinement Fusion，簡稱LICF)。LICF用超大功率激光器產生激光束，射向一個含氘氚的氫球形靶丸上使其崩潰，并產生1億攝氏度左右的高溫，從而觸發氫原子聚變，釋放大量能量。

這次大新聞的主角——美國國家點火裝置（NIF)正是LICF領域的代表性裝置。我國的神光系列和法國LMJ 裝置也是LICF的代表性裝置。值得一提的是，“神光-III”主機裝置的建成標志著我國高功率固體激光技術進入全新的歷史階段，使世界慣性約束聚變研究形成美、中、歐三足鼎立之勢，是顯示我國綜合國力和核心競爭力的重要標志之一。

NIF點火：拋開能源屬性，還有何“弦外之音”？

回到美國的NIF。NIF于2009年建成，2010年開始進行點火物理實驗。該裝置的設計目的是用于驗證聚變點火和燃燒獲得中等增益。其設計輸出能量1.8 MJ，最大功率520TW，激光波長351nm。在NIF裝置建設的同時，美國于2006年啟動“國家點火攻關計劃”(National Ignition Campaign，簡稱NIC)，用于實施與點火物理相關的理論、實驗和制靶等研究。

NIF裝置部分外觀

NIF裝置當年的修建現場（1997）

NIF裝置全貌

從原理上考量，LICF核聚變可以簡化為四個階段：強光輻照、內爆壓縮、聚變點火和聚變燃燒。即，通過激光束(或X光)快速加熱靶丸表面，形成一個等離子體燒蝕層；利用靶丸表面熱物質向外噴發，從而反向壓縮燃料；聚變點火則是通過向心聚爆過程，使DT核燃料達到高溫、高密度狀態；聚變燃燒是熱核燃燒在被壓縮燃料內部蔓延，聚變放能大于驅動能量，獲得能量增益。

劃重點，能量增益，這也是本次NIF實驗的核心里程碑。

NIF建成后的實驗取得了巨大進展，諸多關鍵物理參數在不同發次達到或接近達到點火靶設計指標。但是，聚變點火相關的關鍵物理參數未能在同一發次達到設計目標，且部分指標低于預期。

美國“國家點火攻關計劃”結束后，繼續在NIF裝置上開展點火物理研究，核心目標之一就是能量增益。我們常說的能量增益，全稱是聚變能量增益因子（Fusion energy gain factor），通常用符號Q表示，是核聚變反應所產生能量與維持反應器等離子體穩態的輸入裝置能量之比。

當Q=1，聚變反應所釋放的功率等于維持反應所需的加熱功率時，稱為收支平衡。我們至少需要Q>1，才能實現能源增益。當然這是理想情況，也就是所謂的“科學收支平衡”，此外還有工程收支平衡、經濟收支平衡和推斷收支平衡。聚變堆商用必須一座一座地越過這幾個收支平衡大山。

比如，考慮到工程中的各種能量損失，在至少達到Q=5之前，聚變反應堆中的自熱預計不會達到反應堆輸入功率。當增加到Q=5以上，自熱的增加令反應堆不再需要外部加熱輸入能量以維持反應。在此之后，聚變反應開始自我維持，這種情形被稱為聚變點火。

對于Q值的突破，NIF已進行了多次核聚變實驗，最好的成績是產出和投入能量比為70%，仍然是凈能量損失。

這次的不同之處在于，核聚變反應產生了大約2.5兆焦耳的能量，大約是激光所消耗的2.1兆焦耳能量的120%，輸出能量大于輸入能源。于是美國媒體對此給予高度稱贊，將其形容為“幫助人類在實現零碳排放能源的進程中邁出關鍵一步”。美國能源部部長詹妮弗·格蘭霍姆在記者會上強調“這是一項里程碑式的成就”，“將以商用化為目標，制定雄心勃勃的十年戰略方案”。

實際上，Nature于2014年2月12日發表的一篇文章《Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion》就已宣布NIF首次實現了受控核聚變能量增益大于1的實驗。當時也被視為巨大里程碑。

不可否認，每一次Q值的突破都是里程碑，但這是科研上的進展，離產生上百倍的高增益目標還差得很遠，更別說變成真正清潔、無限能量的“人造太陽”。

太陽之所以是太陽，是因為太陽每天照常升起艷陽高照，恒星之所以是恒星，是因為恒星的發光發熱在人類時間尺度來看，是永恒的。核裂變之所以能實現商用，正是因為其能源源不斷地穩定輸出能量。

放下聚變Q值，我們理性回歸到另外一個核聚變關鍵概念，聚變三重積：等離子體密度、約束時間、溫度的乘積。我們常說的勞森判據往往指的是三重積要高于某閾值，勞森判據是衡量核聚變的品質參數。

勞森判據標準

從此圖中可以看出，目前所有聚變裝置離三重積目標都還有一段距離。聚變研究者希望提高勞森判據，就這三個參數逐個提升指標。但顯而易見的一點是，溫度密度越高就越難以約束，因此三者同時提高是一個極其困難的任務。

今年8月，《物理學評論快報》發表了一篇關于NIF的論文《在聚變實驗中實現勞森準則的點火》。研究者報告他們產生了一種等離子體，其中產生的熱量不僅超過了外部加熱而且超過了所有損失，幾乎滿足了所謂的聚變點火勞森準則，非常接近該領域的“圣杯”——通過聚變產生比驅動激光脈沖中包含的凈能量更大的凈能量。

美國國家點火裝置團隊用192束激光束，向一個微型燃料顆粒輸送了205萬焦耳的激光能量，點燃核聚變燃料，最終產生了315萬焦耳的聚變能量輸出——增益約為150%。成功地令氫原子發生聚變，在100萬億分之一秒內釋放1.3兆焦耳的能量，即10千萬億瓦的功率。

然而，這只是一次在實驗室進行的原理驗證水平上的成功。每次工作時間只有20-30納秒，發出的電量實際上只是“相當于燒開10壺水”。從能量總量上來看，持續時間還太短了，此外，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室原則上每天大約可以產生一次這種結果——聚變發電廠需要每秒產生十次。

這樣看來，兩者的距離是不是依然如同天塹一般？

科技發展就是這樣，不積跬步無以至千里。讓我們看看另外一條路線——磁約束托卡馬克的發展歷程：

在1970年，蘇聯托卡馬克裝置T-3上實現了核聚變能量輸出，能量增益因子Q值為十億分之一，等離子體約束以毫秒計算。

1997年9月22日，聯合歐洲環JET創造輸出功率為12900千瓦的世界紀錄，Q值達0.60，持續時間2秒。

2021年5月28日，我國的EAST實現了可重復的1.2億度101秒等離子體運行和1.6億度20秒等離子體運行，再次創造托卡馬克實驗裝置運行新的世界紀錄，為核聚變發電奠定了堅實的物理和工程基礎。這個溫度也大大超過了太陽的中心溫度（約1500萬度）。

2006年啟動的ITER的目標是產生50萬千瓦的聚變功率，離子溫度1.5億度，維持至少400秒，放電3000秒，能量增益Q＞10。

核聚變行業有一個比較刺耳的“永遠的五十年”的笑話。造成這個笑話的原因，部分源于某些科研工作者的激進思維，也與某些媒體的錯誤導向有關。

在美國國家點火裝置（NIF）這樣的激光慣性約束聚變中，材料問題不是主要問題，畢竟反應的靶丸（capsule）非常小，但反應不具有可持續性是很大的問題，且反應能量的輸出和轉移目前沒有托卡馬克成熟。

發布會上，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室主任金·布迪爾坦言，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。包括實現每分鐘完成多次聚變點火，并擁有穩健的驅動程序系統等。

拋開能源屬性和價值，還可以從另外一個角度來看該事件。

NIF由美國能源部下屬管理核武器的國家核安全局負責運行，它的主要任務是實現能產生高能量的聚變反應，并為美國核武器儲備的維護提供指導。這可以幫助美國繞過因《全面禁止核試驗條約》而停止的地下核試驗，轉而以較小的規模進行核反應實驗，并從中收集數據。

美國能源部部長詹妮弗·格蘭霍姆在發布會上稱，NIF的突破性成果有助于美國“在不進行核試驗的情況下維持核威懾力”。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的武器物理和設計項目主任馬克·赫爾曼表示，該實驗本身創造的非常極端的環境，更加接近于核武器爆炸。

核能領域向來具備軍民兩用屬性，如果該實驗的定位不僅僅是聚變能的商用呢？正如杜祥琬院士所指出的，“該實驗的定位不是商用的能源裝置，美國此次開展的激光能可控核聚變，根本目的是研究核武器相關的物理問題。”

如果是出于核武器研究，那么前文所提及的持續時間、能量導出等問題，就都不是問題了。

因此，針對這次NIF的里程碑成果，從能源角度來看，可以讓子彈再飛一會兒；但是從核武器角度來看，則有些發人深思了。

（作者系國內核聚變領域研究人員。）