轉自：東方網
北京時間12月13日23點，美國能源部向外界正式宣告，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL），2022年12月5日在美國國家點火裝置（NIF）的一個實驗發次中，
歷史性實現了核聚變反應的淨能量增益
。
這個實驗
在人類能源史上豎起了一塊里程碑
。自上世紀六十年代初提出鐳射慣性約束聚變以來，這是人類首次實現“輸出超過輸入”的能量，核聚變這種人類迄今所知的終極清潔能源，終於從“可能”的夢想變成了“可行”的實踐。
▲ 在美國國家點火裝置中，鐳射能量在空腔內轉換成x射線，然後x射線壓縮燃料靶丸，進行內爆併產生高溫高壓等離子體。
人類鐳射聚變進入“可行時代”
在NIF的這次實驗中，輸入鐳射總能量為2。05兆焦（MJ），所獲得的氘氚聚變能量輸出為3。15MJ，能量增益達到1。5倍。
“這是鐳射聚變歷史上劃時代的一天，也是經歷了幾十年的屢敗屢戰之後，
慣性聚變能的科學基礎首次得到了證實
。”昨晚看到新聞之後，多年從事鐳射聚變研究的中國科學院上海光學精密機械研究所研究員朱健強非常興奮而快樂，“鐳射聚變一直不成功，大家都承受了太大的壓力，如今終於看到了曙光！”
可控核聚變是人類獲得清潔能源的終極夢想。目前，世界上實現可控核聚變主要有兩條途徑，一是磁約束核聚變，就是俗稱“人造太陽”的託卡馬克裝置，迄今公認的聚變能量增益值紀錄為0。67，尚未衝破1的平衡點；二是鐳射聚變點火，即使用高功率鐳射觸發核聚變。
過去，由於核聚變發生的條件實在過於苛刻，鐳射所用的能量往往高於聚變反應產生的能量，最多也只是打平——這就讓整個系統如同一個效益不佳的工廠，壓根無法可持續運營。
據介紹，NIF的這次實驗主要對鐳射調控和靶丸設計進行了特別改進。“美國同行成功解決了能量與功率的平衡等諸多難題，這些年不斷在提高系統穩定性上，將器件效能推向極致。”朱健強提到，美國科學家有一種攻關思維叫“營地戰術”，用分解問題的思路來攻堅物理學難題，瞄準目標，匯聚歐美最頂尖的智慧，不斷尋找一種方法與途徑，逐步逼近目標，最終率先實現了淨能量增益這一目標。
▲美國國家點火裝置的靶室，在2022年12月5日，總能量為200萬焦耳的192束激光向一個微小的氘氚燃料球匯聚，以實現聚變點火。
全球聚變競爭將迅速加劇
“為聚變能源提供技術途徑”在此次NIF的新聞釋出會上被反覆提及。有專業人士認為，未來幾十年，該領域勢必成為世界各國的競爭焦點，而聚變商用堆則會成為下一個“兵家必爭之地”。
聚變領域有個“還有50年”的老笑話，指的是實現聚變能似乎總是遙遙無期。而如今，這個笑話已成為歷史，取而代之的是從各國政府到商業領域的熱切追捧。
美國政府在今年11月釋出的白宮報告《美國創新實現2050年氣候目標》中，將聚變能源列為五個首要任務之一，並將聚變能源列為重要的國家安全問題。美國能源部也已明確地鼓勵私人公司和研究機構參與聚變研究，並將全力推進聚變能源的商業化。
在核聚變的另一路線——磁約束核聚變領域，日本已在今年正式運行了新一代熱核聚變實驗裝置JT-60SA，該裝置將成為世界最大的超導託卡馬克等離子體實驗裝置。英國也將投入3億美元，在2024年完成球形託卡馬克STEP設計，並計劃於2040年完成建設執行。而位於安徽合肥的中國託卡馬克裝置EAST今年年初已實現1。2億度101秒等離子體執行。
▲位於安徽合肥的中國託卡馬克裝置EAST今年年初已實現1。2億度101秒等離子體執行。
朱健強認為，目前科學家還剛實現了鐳射聚變的第一步，聚變能真正要達到商用階段，可能還需要幾十年的努力。“但是，先進的聚變技術在發展過程中，就會對經濟起到巨大的推動作用。”他以上海光機所為例，僅在研究所所在的嘉定地區所擁有的光電產業規模年產值就超過100億元。
中國“點火”預期未來五年實現
興奮之餘，朱健強與同事也感受到了壓力。
從上世紀六十年代起，我國老一輩科學家就開始了我國鐳射裝置的開拓，並對鐳射聚變點火裝置進行佈局。在“究竟能不能做成”的質疑中摸爬滾打多年，目前我國的鐳射聚變裝置也已取得了長足發展，“中國點火成功，只是時間問題。”朱健強透露，目前國內的鐳射器規模比美國的小，“我們會在三至五年內達到美國點火裝置的規模，屆時就能開展大規模實驗衝擊點火，很可能未來三五年就可實現目標”。
▲神光Ⅱ高功率鐳射物理實驗裝置
我國鐳射聚變領域泰斗、中國工程院院士範滇元認為，NIF的成功給整個聚變領域樹立起了信心。“接下來，
降低點火的門檻，提高能量增益效率
，會成為攻關的重點。”他提到，中國的科學家已經提出了非常有價值的方案。
目前，NIF使用的點火方案是間接點火，而中國鐳射聚變裝置則採用直接點火。朱健強透露，中國科學院已於2020年成立先導專項，由中科院院士張傑領銜，攻關更加高效的點火技術。這種技術被稱為“快點火”，理論上可以使聚變點火所需的能量下降十倍。範滇元認為，雖然核聚變淨能量增益的“0到1”被美國科學家拔得頭籌，但將增益率提升到10、100的過程中，中國科學家一定會有所建樹。
>>>延伸閱讀
NIF的點火之路
◆ 1972年，《自然》雜誌首次刊發論文，揭秘了一種基於內爆方式的鐳射聚變方案，即中心點火方案，這一年也因此被學術界稱之為鐳射聚變元年。
◆ 1997年，美國勞倫茲利弗莫爾實驗室開始以實現聚變能量輸出大於輸入的鐳射能量為目標，建設擁有192路、總能量約為2兆焦的國家點火裝置（NIF）。
◆ 2021年8月8日，NIF的N210808發次採用了更大的靶丸尺寸與更小的鐳射入射孔徑，獲得了1。35 MJ的能量輸出，能量增益達到了0。7，相較於同年先前的實驗發次能量產額翻了近十倍，首次證明NIF已經實現了物理意義上的點火。
◆ 2022年12月5日，NIF實現了聚變能源意義上的淨能量增益。NIF的科學們還會繼續改進靶和鐳射設計，明年預計會獲得更高的能量增益。
（資料來源：《鐳射評論》）
作者：許琦敏
圖片：LLNL官網、EAST官網、中科院網站
