跳至正文

解读美国激光核聚变点火:建商业电站仍需几十年

耗资35亿美元的美国国家点火装置用了10多年时间不断冲击点火目标,过程一波三折。成功点火后有两条路可走。一是冲刺更高的能量增益,未来或将再建更大能量的激光装置。二是寻求更加简单的点火方式,往实用方面继续开展研究。

·对于中国的核聚变研究者来说,要不断通过实验加深理解、修正模型,逐步逼近一个真实的状态。具备了激光核聚变的竞争力,将来面对的是一个宽阔的国际舞台。

美国能源部发布视频,公布劳伦斯利弗莫尔国家实验室激光核聚变点火成功的消息。

北京时间12月13日,美国能源部官员宣布,由美国政府资助的加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室,首次成功在核聚变反应中实现“净能量增益”,即聚变反应产生的能量大于促发该反应的镭射能量。实验向目标输入了2.05兆焦耳的能量,产生了3.15兆焦耳的聚变能量输出,能量增益达到153%。3.15兆焦耳的能量相当于二两炸药的爆炸威力。

“这是世界上首次激光核聚变点火。”中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、高功率激光物理国家实验室主任朱健强12月13日晚在接受澎湃科技(www.thepaper.cn)专访时表示,美国国家点火装置(National
Ignition
Facility,NIF)的点火工作开启了一扇新的大门,“未来一定会有更丰富的物理,会有更挑战性的问题提出并共同冲刺,这是非常了不起的。”

10多年冲击点火目标,过程一波三折

核聚变反应是宇宙中的普遍现象,它是恒星(例如太阳)的能量来源。核聚变能也是全世界能源发展的前沿方向,被视为未来社会的“终极能源”。如果人类可以掌控这种能量,就能摆脱目前地球的能源与环境危机困扰。到目前为止,人类对受控核聚变的研究主要分为两类,一种是磁约束核聚变,另一类就是此次成功点火的激光核聚变。

耗资35亿美元的美国国家点火装置位于劳伦斯利弗莫尔国家实验室,最初是为了通过模拟爆炸来测试核武器,后用于推进聚变能研究。占地面积有三个足球场大的NIF从2010年开始正式的点火试验,美国用了10多年时间不断冲击点火目标,过程一波三折。

2014年,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家获得成果,但当时产生的能量非常小,相当于一个60瓦的灯泡在5分钟内消耗的能量。2021年8月,NIF在一次聚变反应中产生了1.37兆焦耳的能量,约为那次激光能量的70%,是世界上最接近净能量增益的一次。

去年9月和10月,科研人员想冲刺更高的能量增益,却没有再现去年8月的实验结果。朱健强说,“虽然当时重复实验没有成功,但里面的问题更加清晰,在以后的实验中就可以规避。今年9月份又成功再现了一次去年的结果,今年12月5日再次冲刺,得到了3.15兆焦耳的能量输出,这是非常了不起的一个里程碑式的工作。”

朱健强分析,NIF成功点火后,有两条路可走。一是冲刺更高的能量增益,这次冲刺以后或将再建更大能量的激光装置。二是寻求更加简单的点火方式,往实用方面继续开展研究。

建设商业电站仍需几十年,几大挑战要解决

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆表示,美国首次成功在核聚变反应中实现净能量增益是一项“里程碑式的成就”。这项成果预计将可能帮助人类在实现零碳排放能源的进程中迈出关键一步。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室主任金·布迪尔(Kim
Budil)在13日的新闻发布会上表示,如果想将这一成果商业化,核聚变技术仍有“重大障碍”需要克服,可能还需要几十年的努力和投资。

朱健强表示,要建成商业电站仍需几十年的努力。从概念真正做到应用一定要有各种边界条件。首先,激光驱动器要高重频工作,相比当下三四个小时打一发激光,驱动器的工作体制肯定和现在不同,建电站至少一秒钟打10次激光,这不是现有激光器所具有的能力。同时,输出能量的能量增益要达到百倍以上,才有可能探索电站建设。此外,要寻找更简单、更高效、性价比更高的聚变方式。朱健强表示,“现在只是开了一扇门,这扇门开得非常精彩,门内更是精彩纷呈。”

上世纪60年代,激光一诞生,世界各国的科学家就开展了激光核聚变研究。NIF的点火成功是将近60年的努力,是好几代人的不懈追求。朱健强表示,NIF的点火增强了这一领域的研究信心,对于中国的激光核聚变研究者来说,要不断通过实验加深理解、修正模型,逐步逼近一个真实的状态。“这个工作不像以前做理论研究有固定公式,而是要构建理论体系,理论体系中还存在各种各样的微扰量,要把微扰量搞清楚,才会逼近真实。”

激光核聚变是科学和工程相结合的大项目,也代表一个国家的实力。“全世界没有几个国家能够设计和建造激光核聚变装置,我国在该领域具备了体系性的核心竞争力,将来面对的是一个很宽阔的国际舞台,也是展示中国能力的一个非常重要的显示度。”

以下是澎湃科技与中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、高功率激光物理国家实验室主任朱健强的对话实录。

澎湃科技:怎么看待这次NIF成功点火?

朱健强(中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、高功率激光物理国家实验室主任):这是世界上首次激光核聚变点火。激光核聚变的发展是一个非常曲折的过程。上世纪60年代,激光一诞生,科学家就开展了激光核聚变的研究。所以NIF成功点火不是一天就取得的,而是将近60年的努力,是好几代人的不懈追求。

激光核聚变本身是一个科学目标,同时又是一个科学和工程相结合的大项目,是与人类关系最为密切的一个项目,也代表一个国家的实力。美国科学家不懈努力,在近期获得了一个重要的进展,对同行来讲,是非常令人舞的事。

从去年8月开始,NIF就有了达到临界点火状态的苗头,我们内部也在判断,认为它在短时间内实现点火的可能性还是很大的。原来NIF的科学目标是实现10倍能量增益,现在做到1倍以上,得失相当,我觉得这就是一个里程碑式的工作,1倍以上就代表点火了。所以从这个角度看,美国基本上已经实现了点火的预期目标,后面它肯定会冲刺更高增益的点火,同时也会在全球掀起一个研究高潮。

这么大的成功是建立在以前多次失败的基础上。纵观六十年的研究历史,对激光核聚变的研究尽管没有取得预期目标,但依然没有下马,也说明了激光核聚变的重要价值,今天聚变点火的成功,可以预期今后激光聚变研究将进入一个新时代。

澎湃科技:点火也称为能量增益。

朱健强:能量增益就是输入进去多少能量,聚变反应后能输出多少能量,也就是产出和输入的能量比。能量增益为1就意味着打进去多少能量,聚变反映出来多少能量。净能量增益就是输出的能量超过了输入的能量。

澎湃科技:7月份,《自然》报道,美国科学家后来未能复制2021年8月创纪录的实验,说明研究人员无法精确地理解、设计和预测这些能量下的实验。

朱健强:这里面的问题是非常复杂的,因为激光聚焦光斑及实验用靶的状态,每次都是不一样的。激光的靶丸不到1毫米,在这么高能量、高密度的状态下,激光核聚变在建立的过程中有很多随机性,是不可确定的。所以每一次的实验可能都会有涨落,有了第一次成功的经验,奠定了将来的高追求成功率的基础。

美国原来在做点火工程的过程中,NIF的设计目标是输出的能量要比目前常规运行的高,设计的大概是2.4兆焦耳,但实际运行只有1.4兆焦耳,主要是后来的一些损伤导致激光器不能正常运行,所以没有很好实现点火预期。

这就造成了一个误区,以为美国点不了火,实际上它的体系是强大的。美国有一种理论叫营地战术,一个问题一个问题地解决。营地战术的核心是顶尖科学家能指出营地在哪里,才能逐步推进解决问题。所以NIF成功点火非常不容易,最顶尖的专家能在不确定的情况下构建出理论构架、模拟仿真,制定出实验方案,逐步逼近点火。

NIF建完以后,美国用了10多年时间不断冲击点火目标,过程是一波三折。去年8月8日,他们做到能量增益0.7左右。只要激光的能量输出、制靶、诊断配合好,还是会得到一个很好的结果。但非常遗憾,去年9、10月份想冲刺更高的增益,结果没有再现去年8月份的实验结果。这实际上是考验科学家意志和能力的时候了,总是没有达到目标肯定会受到质疑。虽然当时重复实验没有成功,但里面的问题更加清晰,在以后的实验中就可以规避,今年9月份又成功再现了一次去年的结果,12月5日再次冲刺得到3.15兆焦耳的能量输出,3.15兆焦耳的能量相当于二两炸药的爆炸威力。这是非常了不起的一个里程碑式的工作。美国能源部正式公布这个消息,向全世界正式宣布点火成功。

澎湃科技:实现点火后,接下来的研究方向会是什么样的?

朱健强:目前来讲有两条路。一是往更高的增益上走,当然这有很大难度,实际上美国的激光器能力已经到极限,原先设计的输出能量是2.4兆焦耳,现在也无法在2.4兆焦耳下运行,当初能量没打上去就是因为激光器的终端损伤严重,这次冲刺以后可能要再扩建更大能量的激光装置。二是寻求更加皮实、简单的点火方式。科学目标已经实现了,接下来怎么在悬崖上走得更加稳健、皮实,就需要往实用方面继续开展研究。

NIF的点火工作已经开启了一扇新的大门,原来是探索门怎么开,现在门开了,里面是另外一番风景,未来一定会有更丰富的物理,会有更挑战性的问题提出并共同冲刺,这是非常了不起的。

澎湃科技:刚刚提到要探索更简单的点火方式,目前NIF使用的是传统的中心点火方式。

朱健强:NIF是间接驱动的点火方式。点火方式目前来讲公认的有三种物理模型,一是NIF做的中心点火,这种方式不光可以用来点火,对国防安全、战略安全是有很大用处的。二是直接驱动,未来的能源,我认为直接驱动的可能性是最大的。直接驱动的好处是皮实、简单,激光直接辐照,不需要能量间接转移,直接驱动是未来必然的探索。三是快点火,点火需要高温、高密度,快点火把两个状态解耦,先产生高密度,再加温。这是一种新型的点火方式,这个方式会得到非常高的效率,中国科学院早在2020年就支持我们开展做这方面的攻关,张杰院士是首席科学家。

澎湃科技:接下来有哪些机遇和挑战?

朱健强:机遇就是美国点火成功了,对未来的发展增强信心,我们国家也会有更大的投入。

快点火也好,直接驱动点火也好,遇到的问题很多。美国号称间接驱动是最皮实的方式,都费了这么大的力气才实现。劳伦斯利弗莫尔国家实验室是非常有影响力的武器实验室,几百号人专门从事这方面的研究,实力不可小觑。

这也给我们一个启示,要不断通过实验加深理解,然后修正模型,逐步逼近一个真实的状态。这个工作不像以前做理论研究有固定公式,而是要构建理论体系,理论体系中还存在各种各样的微扰量,要把微扰量搞清楚,才会逼近真实。这是一个多维一体的科学工程,是非常复杂的大体系。

回过头来看,中国为什么也在持续不断研究激光核聚变?上海光机所建所的一个目标就是激光核聚变,我们这支队伍将近60年一直没有改变初衷,在国家的支持下,持续开展激光聚变研究。后续的重大研究计划,也列入了国家项目持续支持。

澎湃科技:通过受控核聚变,未来可能实现商业电站,但仍然很久远。

朱健强:可能需要几十年的努力。

澎湃科技:要实现商业电站,还要经历哪些研究过程?

朱健强:就像造飞机,一开始是概念,真正的商业都是要经过漫长的过程。光通讯也好,飞机也好,人造卫星也好,原子弹也好,构型是一个想象,真正做到应用,一定要有各种边界条件。

首先,效率要高。一来涉及重复率,因为聚变能量是要有重复率的。打一发激光产生聚变,有能量产出了,下一发再过很长时间也不行。现在三四个小时打一次激光,肯定做不了电站,做电站至少一秒钟打10次激光。激光要持续产生,这一类激光器就会发生很大的变化,现在的激光器是不能做这个事的。二来涉及转换效率,现在做到输出能量和输入能量相当,做电站至少要输出能量是输入的百倍以上。这也是两个挑战,所以现在只是开了一扇门,这扇门开得非常精彩,门内更是精彩纷呈。

第二是要寻找更简单、更高效的聚变方式。现在只是实现了点火,下一步可能要寻求最优的、最简单的、性价比最高的方式去做商业。

瞄着这条路,未来会有很多的研究机构、大学,甚至公司投入更多精力发展。不仅仅是对科学目标,应该看到,作为激光聚变研究的大科学工程对国民经济的推动作用也是巨大的。NIF每年派生出的技术产值效益号称已经大大超过了美国对它的投入。尽管是大投入,但回报是非常大的,这也是美国持续支持这个领域发展的缘由之一。

中国激光核聚变研究在国际上是有影响力的。我们在国际竞争中崭露头角,在未来的能源建设过程中,这也是巨大的市场。全世界没有几个国家能够设计和建造激光核聚变装置,我国在该领域具备了体系性的核心竞争力,将来面对的是一个很宽阔的国际舞台,也是展示中国能力的一个非常重要的显示度。