陳賀能：激光核聚變曙光初現

位于美國加州的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室。(資料圖片)

　　新聞背景

　　日前有消息稱，美國加利福尼亞州北部勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的激光聚變裝置——“國家點火裝置”(NIF)在最近的一次試驗中，核聚變反應產生的能量首次超過了燃料吸收的能量。這既是重要的科研進展，也預示人類向著獲得“永久的清潔能源”的理想又前進了一大步。

　　所有激光束進入這個轉筆刀大小的圓柱體金屬艙內部時，它們將產生強烈的X光線。這些X光線不僅僅可以把豌豆大小的氫燃料球壓縮成一個直徑只有人類頭發絲截面直徑大小的小點，它還能夠將其加熱到大約300萬攝氏度的高溫。盡管激光的爆發只能持續大約十億分之一秒，但物理學家們仍然希望這種強烈的脈沖可以迫使氫原子相互結合形成氦，同時釋放出足夠的能量以激活周圍其他氫原子的聚變，直到燃料用盡為止。

　　隨著人類社會生產與生活對能源的需求不斷增加，化石燃料開采量越來越大，資源枯竭問題越來越突出。現實要求我們必須盡快尋求其他方法，大量生產安全、可靠、無污染、清潔環保的可持續能源，以滿足未來人類社會發展的長期需要。

　　對核聚變能的研究之所以一直受到科學家的普遍重視，是因為以這種方式獲得的能源，所用的燃料(例如氫元素中的兩個同位素氘和氚)就存在于海水中，永不枯竭;它不排放二氧化碳，不會對地球大氣產生溫室效應，不需處理那些傷害人類居住環境的、具有非常長半衰期的強放射性核廢料，不會發生鈾基核裂變電站堆芯熔融的核事故!

　　盡管有這么多誘人的好處，但長期以來核聚變能被各大國政府所持的能源政策所忽視，其理由是，核聚變能的研究離實用還很遙遠，技術“太不成熟”了。

　　實現核聚變

　　需超高溫、超高壓兩個條件

　　眾所周知，核聚變能是宇宙中恒星(例如太陽)的動力來源。而太陽深部之所以能產生熱核聚變反應，是因為太陽內部有極高的溫度;太陽深部物質等離子體遭遇來自太陽中心的、天然存在的巨大重力壓力。這意味著太陽深部物質等離子體的密度極大。

　　人類想要在地球上成功模擬太陽內部不斷發生的熱核聚變過程而獲得巨大能量，就必須為能產生聚變的物質等離子體創造兩個必要條件，即：極高的溫度和極大的壓力(即極大的密度)。這也是氫彈成功爆炸的必要條件。

　　從物理學基本知識可知，溫度越高，物質粒子運動的動能就越大，運動越激烈。按照科學家的理論估算，等離子體內離子的動能必須大于10～20千電子伏，核聚變才可能發生。這就是說，等離子體的溫度至少要高于1.1億攝氏度。

　　等離子體是物質的第四態，壓力、溫度、體積三者的相互關系也具有與氣體相似的性質，被稱為“類氣體”。如果大大增加壓力，等離子體的體積就會被壓縮，這意味著在它內部的粒子相互碰撞的機會大大增加。對于氘-氚核聚變反應來說，科學家推算，等離子體密度要大于200～1000 克/立方厘米，大致相當于固態鉛密度的100倍。要做到這一點顯然極其艱難，因為等離子體中的氘核和氚核都帶正電荷，自然產生靜電斥力，而且極高的溫度使等離子體內粒子的運動更劇烈，所以，要和離子間的斥力抗爭，科學家必須引入極為強大的壓力(至少相當于地球表面大氣壓的1000億倍)施與高溫等離子體。

　　如果上述兩個條件都能滿足，兩個氫元素的原子核就能靠近得足以聚合成為新的元素，引發聚變反應，釋放出巨大的能量。然后，人類還應能夠駕馭它，使這一聚變反應按照我們的需要來持續釋放能量，為人類使用。

　　激光“點火”

　　實現可控核聚變途徑之一

　　迄今為止有兩種方案可能實現人工駕馭的核聚變。第一種是“磁約束核聚變”。磁約束的難點在于受強大磁場約束的等離子體依然不易被約束，它們很易逃逸(泄漏)或常常變得不穩定。有我國參與、七國聯合建設的國際熱核聚變實驗堆(ITER)的科學家們正在加緊研究解決之道，為最終實現磁約束可控核聚變而努力。

　　第二種稱作“慣性約束核聚變”，那是瞬間將一個含有聚變物質氘和氚的微型燃料靶丸加熱至超高溫度，并同時對它施以極大壓力，將靶丸物質高度壓縮而導致“點火”引發核聚變的過程。

　　“慣性約束核聚變”可以通過下面的具體例子來說明。科學家設想制造一個中空的、直徑約為2毫米左右的微型塑膠小球丸，其內封有適當比例的、能引發核聚變的氘(也稱“重氫”)和氚(也稱“超重氫”)混合反應物約150微克。當它在二百億分之一秒的極短的時間內被加熱至超過1.1億攝氏度的極高溫度時，小球丸表層物質原子的外層電子就會迅速被剝離，帶正電荷的原子核因排斥力而飛離小球丸，它們高速飛離的同時又對小球丸中心產生強大的反作用力，其所形成的“沖擊波”會從各方對著小球中心產生極大的壓力，形成足夠強大的慣性約束，使得小球丸內各原子核在同一瞬間達到極高密度水平，這時各原子核之間就能克服本來的靜電斥力而聚合在一起，從而導致核聚變反應的產生。

　　用高能離子束、或者用X光束照射，都可以用于加熱并壓縮小球丸。自從上世紀60年代激光器問世以來，科學家已經知道激光束具有高能量密度的特性，強激光脈沖可以電離氣體中的原子，使電子與原子核分開，產生等離子體。早年的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家于是開始考慮用收斂的高功率脈沖激光束在實驗室里點燃核聚變，引發“微爆”，并為此做了很多前期的研究。

　　利弗莫爾實驗室建設世界上最強大的激光器研究核聚變的計劃，得到美國能源部及其屬下的國家核安全局的支持。憑借著能源部超過35.4億美元的巨大前期投資，這個世界最大的激光器于1997年開始建設。雖然期間遇到諸多周折，但到2009年終于建成。整個NIF項目占地面積16 000多平方米，差不多有三個足球場那么大。這使利弗莫爾實驗室一舉成為擁有世界上最先進、最強大的激光系統，最有條件進行激光受控熱核聚變探索性研究的實驗室。2012年7月的實驗中，192支高能激光器構成陣列發射的紫外激光脈沖雖然只維持了10億分之23秒，但產生的峰值功率達到500萬億瓦，相當于美國在任何給定時間內全國耗電總功率的1000倍。

　　激光約束核聚變

　　商業化運行要克服諸多困難

　　眼下，美國國家點火裝置(NIF)的巨大投入已經收獲了兩大具有里程碑意義的目標。第一個目標是，它向世人展示，人類完全有能力使用強大脈沖激光“點火”，實現人工的熱核聚變。第二個目標是實現了能量增益，就是說，核聚變反應產生的能量首次超過了燃料吸收的能量。

　　不過，要達到建設多個受控核聚變反應堆、最終用其建成數百萬千瓦級核聚變發電站的目標，還有很多工作要做。

　　例如，成功點火之后如何清理聚變產物，不是成功地點幾次火而是有規律地不斷(即高重復頻率)“點火”、“清理”，實現“自持”的鏈式核聚變反應等，科學家還需探索;

　　此外，激光技術特別是半導體二極管泵浦固體激光器、大功率半導體激光技術的不斷進步，對慣性約束核聚變研究的作用十分重要，隨之帶來的大尺寸非線性光學(倍頻)晶體(注：它是一種比金子還要貴重的人工晶體)、超大功率激光器件等不斷更新，將可能促進“點火”方案的更新;

　　還有，聚變產物有中子釋放出來，它的強穿透能力以及對生物、人體的傷害不可忽視。燃料中的氚也具有放射性，它釋放出β粒子，其半衰期為12.5年，也要認真注意屏蔽。如何既經濟又安全地獲得并濃縮氚燃料，也是需要進一步探索的。

　　專家普遍認為，在現有的成就基礎上再有幾十年的努力，一整套商業上可運行的、成熟的激光慣性約束受控核聚變百萬千瓦級發電廠，將很有可能在本世紀中葉出現。

　　(作者為中科院新技術開發局高級工程師、中科院老科學家科普演講團成員)