北京時間12月13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，首次成功在核聚變反應(yīng)中實現(xiàn)“凈能量增益”。實驗向目標(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，能量增益達到153%。3.15兆焦耳的能量相當(dāng)于二兩炸藥的爆炸威力。
核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象，它是恒星(例如太陽)的能量來源。核聚變能也是全世界能源發(fā)展的前沿方向，被視為未來社會的“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)境危機困擾。到目前為止，人類對受控核聚變的研究主要分為兩類，一是磁約束核聚變，另一類就是此次成功點火的激光核聚變。
“這是世界上首次激光核聚變點火。”中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研究員、高功率激光物理國家實驗室主任朱健強表示。鑒于此次成功點火的里程碑式的意義。
本文特別分享朱健強對點火相關(guān)問題的解讀，以饗讀者。視頻、圖片皆來自網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容來源澎湃新聞。
關(guān)于激光核聚變。激光核聚變的發(fā)展是一個非常曲折的過程。上世紀(jì)60年代，激光一誕生，科學(xué)家就開展了激光核聚變的研究。所以NIF成功點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科學(xué)目標(biāo)，同時又是一個科學(xué)和工程相結(jié)合的大項目，是與人類關(guān)系最為密切的一個項目，也代表一個國家的實力。美國科學(xué)家不懈努力，在近期獲得了一個重要的進展，對同行來講，是非常令人鼓舞的事。
從去年8月開始，NIF就有了達到臨界點火狀態(tài)的苗頭，我們內(nèi)部也在判斷，認(rèn)為它在短時間內(nèi)實現(xiàn)點火的可能性還是很大的。原來NIF的科學(xué)目標(biāo)是實現(xiàn)10倍能量增益，現(xiàn)在做到1倍以上，得失相當(dāng)，我覺得這就是一個里程碑式的工作，1倍以上就代表點火了。所以從這個角度看，美國基本上已經(jīng)實現(xiàn)了點火的預(yù)期目標(biāo)，后面它肯定會沖刺更高增益的點火，同時也會在全球掀起一個研究高潮。
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，對激光核聚變的研究盡管沒有取得預(yù)期目標(biāo)，但依然沒有下馬，也說明了激光核聚變的重要價值，今天聚變點火的成功，可以預(yù)期今后激光聚變研究將進入一個新時代。
關(guān)于能量增益。能量增益就是輸入進去多少能量，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就意味著打進去多少能量，聚變反應(yīng)后出來多少能量。凈能量增益就是輸出的能量超過了輸入的能量。
關(guān)于激光核聚變點火問題。激光核聚變點火問題是非常復(fù)雜的，因為激光聚焦光斑及實驗用靶的狀態(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，激光核聚變在建立的過程中有很多隨機性，是不可確定的。所以每一次的實驗可能都會有漲落，有了第一次成功的經(jīng)驗，奠定了將來的高追求成功率的基礎(chǔ)。
美國原來在做點火工程的過程中，NIF的設(shè)計目標(biāo)是輸出的能量要比目前常規(guī)運行的高，設(shè)計的大概是2.4兆焦耳，但實際運行只有1.4兆焦耳，主要是后來的一些損傷導(dǎo)致激光器不能正常運行，所以沒有很好實現(xiàn)點火預(yù)期。
這就造成了一個誤區(qū)，以為美國點不了火，實際上它的體系是強大的。美國有一種理論叫營地戰(zhàn)術(shù)，一個問題一個問題地解決。營地戰(zhàn)術(shù)的核心是頂尖科學(xué)家能指出營地在哪里，才能逐步推進解決問題。所以NIF成功點火非常不容易，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，制定出實驗方案，逐步逼近點火。
NIF建完以后，美國用了10多年時間不斷沖擊點火目標(biāo)，過程是一波三折。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，還是會得到一個很好的結(jié)果。但非常遺憾，去年9、10月份想沖刺更高的增益，結(jié)果沒有再現(xiàn)去年8月份的實驗結(jié)果。這實際上是考驗科學(xué)家意志和能力的時候了，總是沒有達到目標(biāo)肯定會受到質(zhì)疑。雖然當(dāng)時重復(fù)實驗沒有成功，但里面的問題更加清晰，在以后的實驗中就可以規(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里程碑式的工作。美國能源部正式公布這個消息，向全世界正式宣布點火成功。
關(guān)于點火方式。點火方式目前來講公認(rèn)的有三種物理模型，一是NIF做的中心點火，這種方式不光可以用來點火，對國防安全、戰(zhàn)略安全是有很大用處。二是直接驅(qū)動，未來的能源，我認(rèn)為直接驅(qū)動的可能性是最大的。直接驅(qū)動的好處是皮實、簡單，激光直接輻照，不需要能量間接轉(zhuǎn)移，直接驅(qū)動是未來必然的探索。三是快點火，點火需要高溫、高密度，快點火把兩個狀態(tài)解耦，先產(chǎn)生高密度，再加溫。這是一種新型的點火方式，這個方式會得到非常高的效率，中國科學(xué)院早在2020年就支持我們開展做這方面的攻關(guān)。
關(guān)于未來方向。目前來講有兩條路。一是往更高的增益上走，當(dāng)然這有很大難度，實際上美國的激光器能力已經(jīng)到極限，原先設(shè)計的輸出能量是2.4兆焦耳，現(xiàn)在也無法在2.4兆焦耳下運行，當(dāng)初能量沒打上去就是因為激光器的終端損傷嚴(yán)重，這次沖刺以后可能要再擴建更大能量的激光裝置。二是尋求更加皮實、簡單的點火方式。科學(xué)目標(biāo)已經(jīng)實現(xiàn)了，接下來怎么在懸崖上走得更加穩(wěn)健、皮實，就需要往實用方面繼續(xù)開展研究。
NIF的點火工作已經(jīng)開啟了一扇新的大門，原來是探索門怎么開，現(xiàn)在門開了，里面是另外一番風(fēng)景，未來一定會有更豐富的物理，會有更挑戰(zhàn)性的問題提出并共同沖刺，這是非常了不起的。
關(guān)于機遇與挑戰(zhàn)。機遇就是美國點火成功了，對未來的發(fā)展增強信心，我們國家也會有更大的投入。
快點火也好，直接驅(qū)動點火也好，遇到的問題很多。美國號稱間接驅(qū)動是最皮實的方式，都費了這么大的力氣才實現(xiàn)。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室是非常有影響力的武器實驗室，幾百號人專門從事這方面的研究，實力不可小覷。
這也給我們一個啟示，要不斷通過實驗加深理解，然后修正模型，逐步逼近一個真實的狀態(tài)。這個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，要把微擾量搞清楚，才會逼近真實。這是一個多維一體的科學(xué)工程，是非常復(fù)雜的大體系。
回過頭來看，中國為什么也在持續(xù)不斷研究激光核聚變?上海光機所建所的一個目標(biāo)就是激光核聚變，我們這支隊伍將近60年一直沒有改變初衷，在國家的支持下，持續(xù)開展激光聚變研究。
關(guān)于商業(yè)應(yīng)用。就像造飛機，一開始是概念，真正的商業(yè)都是要經(jīng)過漫長的過程。光通訊也好，飛機也好，人造衛(wèi)星也好，原子彈也好，構(gòu)型是一個想象，真正做到應(yīng)用，一定要有各種邊界條件。
首先，效率要高。一來涉及重復(fù)率，因為聚變能量是要有重復(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)再過很長時間也不行。現(xiàn)在三四個小時打一次激光，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，這一類激光器就會發(fā)生很大的變化，現(xiàn)在的激光器是不能做這個事的。二來涉及轉(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。這也是兩個挑戰(zhàn)，所以現(xiàn)在只是開了一扇門，這扇門開得非常精彩，門內(nèi)更是精彩紛呈。
第二是要尋找更簡單、更高效的聚變方式。現(xiàn)在只是實現(xiàn)了點火，下一步可能要尋求最優(yōu)的、最簡單的、性價比最高的方式去做商業(yè)。
瞄著這條路，未來會有很多的研究機構(gòu)、大學(xué)，甚至公司投入更多精力發(fā)展。不僅僅是對科學(xué)目標(biāo)，應(yīng)該看到，作為激光聚變研究的大科學(xué)工程對國民經(jīng)濟的推動作用也是巨大的。NIF每年派生出的技術(shù)產(chǎn)值效益號稱已經(jīng)大大超過了美國對它的投入。盡管是大投入，但回報是非常大的，這也是美國持續(xù)支持這個領(lǐng)域發(fā)展的緣由之一。
中國激光核聚變研究在國際上是有影響力的。我們在國際競爭中嶄露頭角，在未來的能源建設(shè)過程中，這也是巨大的市場。全世界沒有幾個國家能夠設(shè)計和建造激光核聚變裝置，我國在該領(lǐng)域具備了體系性的核心競爭力，將來面對的是一個很寬闊的國際舞臺，也是展示中國能力的一個非常重要的顯示度。
