世界最大激光器、被稱為“人造太陽”的美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)正距離其目標(biāo)越來越近，顯示了一個可持續(xù)核聚變反應(yīng)裝置正在由夢想逐步成為現(xiàn)實(shí)。但由于基礎(chǔ)物理研究和工程技術(shù)的問題，要使核聚變達(dá)到能夠穩(wěn)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(jī)已經(jīng)成為困擾人類發(fā)展的重要難題之一。據(jù)研究，地球數(shù)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(dāng)前使用的核能又因其巨大的安全風(fēng)險，可持續(xù)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(jù)激光核聚變原理制造的、被稱為“人造太陽”的美國國家點(diǎn)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(jì)40年代，德國核物理學(xué)家奧多·哈恩和莉澤·邁特納發(fā)現(xiàn)了核裂變，但無論是利用該反應(yīng)制造的核武器或是核電站，都因燃料本身以及反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生的巨大輻射，令科學(xué)家不得不一直異常謹(jǐn)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(yīng)而產(chǎn)生。相較于裂變，每個核子釋放的能量，也就是每千克聚變?nèi)剂厢尫诺哪芰扛啵业厍蛏暇圩內(nèi)剂系膬α扛S富，更重要的是，燃料以及聚變產(chǎn)生的輻射要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)，完成聚變最重要的條件就是克服這種力量。太陽因其高達(dá)2000萬攝氏度的中心溫度，以及在自身強(qiáng)大重力的吸引下形成的超高的壓力狀態(tài)，才使得核聚變得以發(fā)生并持續(xù)。要在地球上完成這一過程，因?yàn)橐μ。瑝毫Σ粔?，核聚變需要在更高的溫度下（這樣的溫度下物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)）才能進(jìn)行。這也是可控核聚變?nèi)绱似D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(dāng)核聚變反應(yīng)釋放的能量大于輸入的能量，這一臨界條件稱之為點(diǎn)火，才有能源應(yīng)用的價值。實(shí)際上，由于創(chuàng)造聚變條件消耗的電能，一般要3倍于它的熱能才能生產(chǎn)出來，所以要使能量增益因子等于3時，才能真正地實(shí)現(xiàn)得失相當(dāng)。

　　中國科技大學(xué)物理學(xué)院教授王曉方告訴筆者，如同日常生活中點(diǎn)燃柴火一樣，點(diǎn)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(xù)，這才是真正實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火。柴火相當(dāng)于核聚變中的等離子體狀態(tài)物質(zhì)。

　　1957年，英國科學(xué)家勞遜提出了達(dá)到點(diǎn)火的一般性條件，也稱為得失相當(dāng)條件，即勞遜判據(jù)。對于氘氚聚變，為了較容易實(shí)現(xiàn)，要求等離子體的溫度達(dá)到1億攝氏度。

　　美國點(diǎn)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(chǎn)生的。在氫彈中，引爆用的原子彈所產(chǎn)生的高溫高壓，使氫彈中的聚變?nèi)剂蠑D壓在一起，由于物質(zhì)的慣性，在飛散之前產(chǎn)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(jì)60年代，利用該原理，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出并證明了激光可以使氘氚發(fā)生聚變。直到2009年，耗資35億美元的美國國家點(diǎn)火裝置（簡稱NIF）終于讓科學(xué)家看到了激光核聚變實(shí)現(xiàn)的可能性，人類寄希望于能從該實(shí)驗(yàn)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(jī)器坐落在加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的一個特大號“倉庫”里。在裝置內(nèi)部，激光器會產(chǎn)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(chǎn)生一億攝氏度左右的高溫，從而觸發(fā)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(xù)數(shù)幾個納秒（1納秒等于10億分之1秒）。為了達(dá)至臨界點(diǎn)或者說點(diǎn)燃反應(yīng)堆，激光器的設(shè)計能量為1.8兆焦耳。

　　早在去年，據(jù)《自然》雜志報道，被稱為“人造太陽”的美國國家點(diǎn)火裝置（NIF）所發(fā)射出的激光已經(jīng)達(dá)到了2兆焦，也是激光向核聚變能源邁出的第一步。

　　近日，據(jù)BBC新聞網(wǎng)10月7日報道，在9月末進(jìn)行的一次聚變實(shí)驗(yàn)中，聚變反應(yīng)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(shí)驗(yàn)室官方網(wǎng)站上看到該消息。

　　事實(shí)上，NIF項(xiàng)目并非一帆風(fēng)順，NIF研究團(tuán)隊(duì)點(diǎn)火目標(biāo)的推進(jìn)曾一推再推。據(jù)《科學(xué)美國人》報道，去年美國國家科學(xué)院專家小組的一份中期報告顯示，NIF激光觸發(fā)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(fā)射重復(fù)率還很低，無法持續(xù)聚變產(chǎn)能。“這是因?yàn)椋壳凹す馄魉褂玫牟ＡХ糯蠼橘|(zhì)無法滿足既在單位時間內(nèi)能發(fā)射更多次數(shù)，又保證激光束的質(zhì)量。”

　　目前，NIF的激光器每天只能發(fā)射幾次。只有當(dāng)每秒鐘發(fā)生三四次甚至更多的核聚變且連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，并且每次聚變的能量增益達(dá)到10～100倍，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

　　“為了提高激光發(fā)射的重復(fù)率，科學(xué)家也在研發(fā)新型激光器，比如半導(dǎo)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(guī)模，激光輸出的能量還不足以來實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。“目前，還沒有找到提高激光發(fā)射重復(fù)率從而持續(xù)聚變產(chǎn)能的好辦法。”

　　據(jù)了解，近日，NIF研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將激光對準(zhǔn)了真正的燃料球，實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步，但點(diǎn)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(diǎn)火裝置的麻煩始終與新進(jìn)展同在。

　　核聚變研究期待新突破

　　事實(shí)上，除慣性約束核聚變以外，最先被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，也是至今最被看好的核聚變是磁約束。為實(shí)現(xiàn)磁力約束，需要一個能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的環(huán)形磁場的裝置，上世紀(jì)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(xù)提供聚變能。

　　倡議于1985年的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）計劃，是目前全球最大的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的“超導(dǎo)托克馬克”。作為聚變能實(shí)驗(yàn)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(dá)837立方米的磁場中，產(chǎn)生50萬千瓦的聚變功率，持續(xù)時間達(dá)500秒。不過，目前為止，該項(xiàng)目還一直在追加預(yù)算，在工程技術(shù)上也依然存在問題，進(jìn)展遲緩。

　　王曉方表示，ITER還只是一個實(shí)驗(yàn)計劃，即使ITER獲得成功，還要建造新的聚變反應(yīng)堆，才可能進(jìn)入能源實(shí)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(shè)計初衷是用于測試核武器可靠性，是美國“無爆炸核試驗(yàn)”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(nèi)核的環(huán)境，進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)。慣性約束一直被認(rèn)為是由涉及國家安全和武器研發(fā)的政府和聯(lián)合企業(yè)所資助的，它們研究核聚變是為了武器開發(fā)，而不是用于民用電廠。

　　但美國核武器獨(dú)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于真正的核武器所產(chǎn)生的溫度，他并不支持慣性約束的研發(fā)與核武器測試直接相關(guān)。

　　清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)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(jù)當(dāng)前的材料和工程技術(shù)，核聚變遠(yuǎn)不能達(dá)到穩(wěn)定輸出能量的水平。他認(rèn)為，核聚變實(shí)用化的關(guān)鍵還是來自材料領(lǐng)域的革命性突破。