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可控核聚變能源:人類離終極能源還有多遠(yuǎn)?
2023-01-19 05:52:47 來源:光明網(wǎng)-《光明日?qǐng)?bào)》 編輯:

作者:喬賓(北京大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院院長、物理學(xué)院博雅特聘教授)

宇宙中,太陽以及其他恒星內(nèi)部源源不斷的能量,是通過“核聚變”方式產(chǎn)生的。核聚變是兩個(gè)輕原子核聚合,生成新的更重原子核的過程,其反應(yīng)釋放的能量巨大,且不排放二氧化碳,與核裂變相比,它既不產(chǎn)生核廢料,輻射也極少,因此被稱為人類的終極能源。日前,美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室國家點(diǎn)火裝置實(shí)現(xiàn)了人類歷史上首次激光可控核聚變點(diǎn)火:實(shí)驗(yàn)輸入2.05兆焦耳激光能量,產(chǎn)生了3.15兆焦耳聚變能量輸出(大約是電動(dòng)汽車行駛10公里所需的能量),實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”。這是人類能源史上的重大突破,從科學(xué)原理和工程技術(shù)上驗(yàn)證了未來核聚變能源的可行性,開啟了人類進(jìn)入清潔能源時(shí)代的大門。

勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室??資料圖片


【資料圖】

能源自由?可控核聚變

1905年,愛因斯坦發(fā)表了論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》,建立了狹義相對(duì)論,推導(dǎo)出了物理學(xué)史上最著名的方程E=mc2,能量(E)等于物質(zhì)的質(zhì)量(m)乘以光速(c)的平方。這個(gè)方程告訴人們,如果能夠把物質(zhì)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量,將可以獲得巨大的能量收益。1克靜止物質(zhì)對(duì)應(yīng)的能量相當(dāng)于2.1萬噸TNT炸藥爆炸釋放的能量。

隨著后來的研究,人們發(fā)現(xiàn)原子核與原子核或原子核與中子等粒子相互作用產(chǎn)生新原子核的過程中,就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量虧損的現(xiàn)象,虧損的小部分質(zhì)量會(huì)以巨大的能量形式向外釋放,這個(gè)過程被稱為核反應(yīng)。

核裂變是一個(gè)重原子核分裂為兩個(gè)或多個(gè)較輕原子核的過程,裂變后原子核和粒子的總質(zhì)量小于裂變前原子核和粒子的質(zhì)量之和,質(zhì)量能量轉(zhuǎn)化,裂變過程發(fā)出巨大能量。原子彈爆炸、核電站等都是利用了核裂變?cè)怼?/p>

而核聚變是兩個(gè)輕原子核融合為一個(gè)較重原子核的過程,聚變前后同樣存在質(zhì)量差,質(zhì)量能量轉(zhuǎn)化,聚變過程釋放巨大能量。太陽等恒星內(nèi)部產(chǎn)生的能量主要來自核聚變過程,氫彈的巨大放能也來自聚變過程。

相對(duì)于核裂變,核聚變的燃料都是輕元素。如氫的同位素(氘D,氚T),氘和氚聚變是自然界最容易發(fā)生的聚變,目前可控核聚變研究采用氘和氚為聚變?nèi)剂?。核聚變能夠用少量的燃料收獲巨大的能量。據(jù)估計(jì),如果要獲得相同的能量,需要的核聚變氘氚燃料,核裂變235U燃料和煤炭的質(zhì)量之比約為1:4:8000000。換句話說,一克氘氚燃料聚變所獲得的能量就相當(dāng)于燃燒8噸石油才能產(chǎn)生的能量。

20世紀(jì)50年代,人類開始探索在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)核聚變,即可控核聚變。然而,這卻是一件非常困難的事情——原子核帶正電,它們之間存在很強(qiáng)的排斥力,要讓聚變發(fā)生,原子核必須具有極高的動(dòng)能才能夠克服排斥力,這要求燃料需要被加熱到超過1億攝氏度的高溫。要讓足夠多的聚變發(fā)生,單位體積中的原子核數(shù)目必須大,這樣原子核之間才能夠頻繁地碰撞、發(fā)生聚變。當(dāng)然,讓原子核長時(shí)間處于能夠發(fā)生聚變的狀態(tài),可以獲得更多的聚變能量。正是上述原因,一個(gè)系統(tǒng)的聚變性能與原子核平均動(dòng)能(溫度)、原子核數(shù)密度(密度)和原子核處于能夠發(fā)生聚變狀態(tài)的時(shí)間(約束時(shí)間)三者直接相關(guān)。

幾十年來,科學(xué)家們已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步,但仍然沒有能夠達(dá)到足以商用發(fā)電的水準(zhǔn),甚至曾一直沒有實(shí)現(xiàn)輸出能量大于輸入能量的能量增益。這是因?yàn)闆]有任何一種容器可以承受超過一億攝氏度的高溫,并且在如此高的溫度下,氘氚燃料呈現(xiàn)出電子和原子核分離的混合狀態(tài),被稱為等離子體態(tài)。等離子體態(tài)下的物質(zhì)在內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的電磁場和不穩(wěn)定性,使得科學(xué)家無法準(zhǔn)確預(yù)測它的狀態(tài),進(jìn)而難以將這樣一個(gè)洪水猛獸約束在人類設(shè)計(jì)的牢籠中并達(dá)到聚變條件。

然而,研究沒有停止。因?yàn)橐坏?shí)現(xiàn)可控核聚變,人類將徹底掙脫能源束縛:

——人類將實(shí)現(xiàn)能源自由:聚變?nèi)剂想诤Q笾写罅看嬖冢≈槐M用之不竭;雖然氚不存在于自然界中,但可以通過地球富含的鋰元素轉(zhuǎn)化為氚。并且,除了氘氚聚變,科學(xué)家們也尋找到了大量的替代方案,如氫硼聚變,氘氘聚變等,都有望成為可控核聚變的燃料。

——人類將獲得能源安全:可控核聚變堆中沒有用來制造核武器的濃縮放射性材料(如钚,鈾等),并且一旦約束失敗,不穩(wěn)定的等離子體會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)冷卻,不會(huì)發(fā)生核災(zāi)難。

——人類將使用清潔能源:可控核聚變的產(chǎn)物主要是中子和惰性元素氦,并不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳造成溫室效應(yīng),也不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境造成巨大影響的放射性廢物。

為了實(shí)現(xiàn)可控核聚變、控制住“情緒陰晴不定”的高溫等離子體,科學(xué)家們構(gòu)思出了兩種方案:一種是利用磁場約束帶電的等離子體,在低密度下運(yùn)行盡量長的時(shí)間實(shí)現(xiàn)核聚變能量增益,被稱為磁約束聚變;第二種是將氘氚燃料存放在一個(gè)微小的靶丸中,利用多束強(qiáng)激光或轉(zhuǎn)化為X光燒蝕反沖壓縮燃料靶丸在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度的核聚變,而一億分之一秒之后,利用燃料向外爆炸的慣性而停止燃燒,被稱之為慣性約束聚變,也稱激光聚變。

磁約束聚變由蘇聯(lián)科學(xué)家托卡馬克提出,它被設(shè)計(jì)成一個(gè)甜甜圈的形狀,通過設(shè)計(jì)磁場在甜甜圈的內(nèi)部約束聚變等離子體,有望在高溫低密的條件下實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的運(yùn)行。2022年,中國托卡馬克裝置實(shí)現(xiàn)了在7000萬攝氏度的溫度下持續(xù)放電1000秒,創(chuàng)造了世界紀(jì)錄但仍未獲得能量增益。2006年,歐盟、中國、韓國、俄羅斯、日本、印度和美國七方正式簽署聯(lián)合實(shí)施協(xié)定,開始共同建造國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER),其目標(biāo)正是驗(yàn)證和平利用聚變能的科學(xué)和技術(shù)可行性。但I(xiàn)TER計(jì)劃在進(jìn)展過程中遇到了不小的困難,今年提出再度延期,可能會(huì)比計(jì)劃推遲10年以上。

激光慣性約束聚變就是美國國家點(diǎn)火裝置采用的方案??茖W(xué)家使用192束激光將2.05MJ能量注入內(nèi)壁為金涂層的圓柱體黑腔,轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈的X射線均勻照射到中心裝填有氘氚聚變?nèi)剂系那蛐伟型?,在靶丸表面形成高溫高壓等離子體,利用反沖擊力,驅(qū)動(dòng)燃料向心聚爆,壓縮和加熱聚變?nèi)剂系入x子體至高溫度高密度狀態(tài),達(dá)到聚變點(diǎn)火條件,在10億分之一秒的時(shí)間內(nèi),釋放了3.15MJ的聚變能量。這首次實(shí)現(xiàn)了聚變能量大于輸入能量超過54%的凈能量收益,標(biāo)志著人類在實(shí)現(xiàn)可控核聚變這一“終極能源”的道路上邁出了至關(guān)重要的一步,是實(shí)現(xiàn)清潔能源的里程碑。

曲折發(fā)展?65年實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火

此次慣性約束聚變里程碑式的成功,再次點(diǎn)燃了人們對(duì)可控核聚變的熱情。但很多人不知道的是,從基本構(gòu)想到如今真正實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火,慣性約束聚變經(jīng)歷了65年的曲折發(fā)展。

早在20世紀(jì)50年代后期,慣性約束聚變的構(gòu)想就被提出,即利用微型炸藥或強(qiáng)X-ray輻射驅(qū)動(dòng)激波來壓縮加熱很小質(zhì)量的氘氚燃料(毫克以下),使其達(dá)到高溫高密的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)非裂變的聚變點(diǎn)火,隨后利用聚變放能加熱水,產(chǎn)生的蒸汽為傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力,從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層面的發(fā)電。

20世紀(jì)60年代早期,勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家納科爾斯(Nuckolls)及其合作者用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬了1毫克氘氚燃料的內(nèi)爆點(diǎn)火:通過輸入5兆焦的能量可以實(shí)現(xiàn)50兆焦的聚變放能,達(dá)到10倍的增益。隨后經(jīng)過對(duì)能量注入以及靶丸的優(yōu)化,高增益聚變點(diǎn)火的驅(qū)動(dòng)能量能被降低到1兆焦,而實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火只需要1千焦的驅(qū)動(dòng)能量。此結(jié)果從理論和模擬中說明了慣性約束聚變的可行性,并且定量地給出了實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火以及高增益聚變的驅(qū)動(dòng)能量,實(shí)現(xiàn)高增益慣性約束聚變點(diǎn)火的關(guān)鍵已經(jīng)轉(zhuǎn)化為了尋找在極短時(shí)間內(nèi)(約一億分之一秒)提供1千焦甚至1兆焦能量的驅(qū)動(dòng)源。然而理想很美好,現(xiàn)實(shí)卻很殘酷——1千焦就可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火是在完全理想的條件下得到的。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,由于各種不穩(wěn)定性、驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱性等的存在,這一模擬并未成為現(xiàn)實(shí)。

20世紀(jì)70年代末期,隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展,高功率激光作為驅(qū)動(dòng)源讓可控慣性約束聚變從理論走向了實(shí)際??傒敵瞿芰窟_(dá)到10千焦的Shiva激光器被首先建立起來,用于在較小驅(qū)動(dòng)能量下進(jìn)行聚變?cè)眚?yàn)證,但由于Shiva激光器采用的是紅外激光(波長1053納米),激光注入能量后,激光等離子體參量不穩(wěn)定性顯著,產(chǎn)生大量的超熱電子預(yù)熱了氘氚靶丸,降低了對(duì)稱性與靶丸壓縮,遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到聚變點(diǎn)火的條件。1984年,采用3倍頻、波長為351納米的Nova激光器建造投入使用,激光能量達(dá)到40千焦—45千焦,聚變實(shí)驗(yàn)如火如荼地進(jìn)行,但由于不同激光束之間能量存在巨大差異導(dǎo)致嚴(yán)重的成絲和驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱性,最終還是走向失敗。盡管Shiva和Nova激光器點(diǎn)火原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)沒有成功,但研究人員對(duì)內(nèi)爆過程有了更深入的了解,前進(jìn)的道路再次變得清晰:即增強(qiáng)輻照均勻性,降低燃料層的瑞利—泰勒不穩(wěn)定性,并將驅(qū)動(dòng)的激光能量增加至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

由此,美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)應(yīng)運(yùn)而生。NIF是世界上最大的激光驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變裝置,于1997年開始建造,2009年正式建成投入使用,耗資約35億美元,有三個(gè)足球場的大小,可以將2兆焦的能量通過192路激光束聚焦到2毫米的空間范圍內(nèi),從而將燃料壓縮到太陽內(nèi)核以及核爆炸的溫度和壓力,實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。盡管從驅(qū)動(dòng)能量層面來看,NIF已經(jīng)完全達(dá)到聚變點(diǎn)火的要求,但是從2010年10月首次進(jìn)行集成點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),到2022年12月真正實(shí)現(xiàn)可控聚變點(diǎn)火,也經(jīng)歷了12年,面臨大量質(zhì)疑與批評(píng)。

這12年,科學(xué)家們從5000多次失敗中不斷完善和修正實(shí)驗(yàn)。從2010年到2012年,NIF啟動(dòng)NationalIgnitionCampaign(NIC)進(jìn)行一系列點(diǎn)火實(shí)驗(yàn),但是由于缺乏對(duì)大能量激光器強(qiáng)輻射驅(qū)動(dòng)的預(yù)測能力,以及沒有細(xì)致考慮參量不穩(wěn)定性和流體力學(xué)不穩(wěn)定性引起驅(qū)動(dòng)不對(duì)稱性與燃料混合,最終實(shí)際達(dá)到壓強(qiáng)只有聚變所需壓強(qiáng)的1/3,在輸入能量為1.8兆焦的條件下,輸出能量只有約2.5千焦,遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到聚變點(diǎn)火的要求;隨后2013年10月,通過對(duì)激光脈沖整形的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)提前對(duì)靶丸進(jìn)行適度預(yù)熱,降低其內(nèi)部的不均勻性,NIF實(shí)現(xiàn)了燃料增益層面的點(diǎn)火(氘氚燃料的動(dòng)能為10千焦,聚變放能為14千焦)。當(dāng)然,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到真正意義上的點(diǎn)火,聚變放能遠(yuǎn)小于激光驅(qū)動(dòng)能1.8兆焦(14千焦的放能只相當(dāng)于一個(gè)60瓦的燈泡亮5分鐘消耗的能量)。之后,NIF在理論預(yù)測、實(shí)驗(yàn)以及精密加工技術(shù)層面進(jìn)行了大量規(guī)律摸索與細(xì)致調(diào)整,優(yōu)化激光脈沖與能量,量化黑腔結(jié)構(gòu)與尺寸,細(xì)化靶丸組成與大小,聚變放能得到穩(wěn)步的提升。2021年8月8日,NIF終于在實(shí)驗(yàn)中接近了點(diǎn)火閾值,到達(dá)了聚變點(diǎn)火的門檻,輸入激光能量1.9兆焦,聚變放能1.37兆焦,能量增益達(dá)到0.72,同時(shí)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)是與100萬億分之一秒內(nèi)發(fā)生的鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)一致,對(duì)應(yīng)的放能功率達(dá)到了超過10千萬億瓦(世界用電平均總功率約為32.5千億瓦)。在經(jīng)歷了多輪重復(fù)失敗的實(shí)驗(yàn)之后,經(jīng)過對(duì)激光能量的進(jìn)一步提升以及對(duì)靶丸燒蝕層厚度的微調(diào),在2022年12月5日,NIF終于實(shí)現(xiàn)了能量增益大于1,實(shí)現(xiàn)了真正的聚變點(diǎn)火。

繼續(xù)探索?“終極能源”何時(shí)實(shí)現(xiàn)

人類歷史上首次激光可控核聚變點(diǎn)火,是科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重大突破,證明了在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)可控核聚變的可行性,也為聚變能源的實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)——從單純追求點(diǎn)火邁入到探索更高能量增益的聚變方案,最后在應(yīng)用層面上實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電,獲得近乎取之不盡用之不竭的終極能源。

但是,每一次聚變實(shí)驗(yàn)的突破都是在科學(xué)認(rèn)知和工程技術(shù)上挑戰(zhàn)人類極限,要真正實(shí)現(xiàn)從科學(xué)層面上的點(diǎn)火到應(yīng)用層面上的聚變能源仍然是長路漫漫,困難重重。

從能量轉(zhuǎn)化的角度來看,科學(xué)實(shí)驗(yàn)層面能量增益大于1可以確認(rèn)聚變點(diǎn)火的可行性,而工程增益大于1才是聚變能源應(yīng)用于實(shí)際需求的必要基礎(chǔ)。以NIF實(shí)驗(yàn)為例,其使用電能為322兆焦,激光能量為2.05兆焦,聚變放能為3.15兆焦,此時(shí)科學(xué)增益為1.54——大于1說明了科學(xué)層面的點(diǎn)火成功,但是工程增益僅約為0.98%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。因此盡管我們實(shí)現(xiàn)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究層面上聚變點(diǎn)火,但從工程上講,需要提高至少100倍的能量轉(zhuǎn)化效率,才能說是實(shí)現(xiàn)了可控核聚變發(fā)電,獲得真正清潔、無限供應(yīng)的能源。

除了能量轉(zhuǎn)化效率和增益有待提高外,NIF的硬件層面,包括激光器的穩(wěn)定性和重頻以及靶丸的材料和結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)一步提升和優(yōu)化。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家在慣性約束聚變能源白皮書中也指出“目前NIF仍然存在激光脈沖質(zhì)量不穩(wěn)定、間接驅(qū)動(dòng)靶昂貴脆弱等問題”,牛津大學(xué)物理學(xué)教授賈斯汀·沃克教授在英國科學(xué)媒體中心上發(fā)表評(píng)論稱:“這確實(shí)是一個(gè)很大的進(jìn)步,但我們還需要更多。首先,盡管近年來制造高效激光器的技術(shù)也取得了飛躍,但仍需要得到更多投入,以解決產(chǎn)生激光等方面的損耗;其次,勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室原則上每天大約可以產(chǎn)生一次這種結(jié)果,而聚變發(fā)電廠則需要每秒產(chǎn)生十次?!?/p>

中國的慣性約束聚變研究起步稍晚,但也在蓬勃發(fā)展,間接驅(qū)動(dòng)方案已經(jīng)在國內(nèi)大型激光裝置上完成了理論驗(yàn)證,并且大量研究聚變中基礎(chǔ)物理的分解實(shí)驗(yàn)也已完成,研究人員對(duì)慣性約束聚變的認(rèn)識(shí)達(dá)到了世界前沿水平。同時(shí),中國工程物理研究院賀賢土院士和中國科學(xué)院張杰院士都分別提出了新的皮實(shí)性更好和高增益的聚變點(diǎn)火方案。在如今可控核聚變翻開新篇章的背景下,中國的激光聚變研究者既要仰望星空,優(yōu)化更皮實(shí)的激光聚變點(diǎn)火方案,探尋工程上聚變能源的實(shí)際應(yīng)用;又需要腳踏實(shí)地,學(xué)習(xí)研究理解復(fù)雜聚變系統(tǒng)的物理真實(shí),通力合作,爭取實(shí)現(xiàn)激光可控核聚變領(lǐng)域的“彎道超車”。

從目前來看,要建成商業(yè)核聚變電站,實(shí)現(xiàn)真正意義上的聚變能源應(yīng)用仍需幾十年的努力。不僅需要科研工作人員的探索,還需要產(chǎn)業(yè)界的支持、公眾的投入與認(rèn)可等,如此,終極能源才能真正走向現(xiàn)實(shí)。

《光明日?qǐng)?bào)》( 2023年01月19日?16版)

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