2022年12月13日，美國能源部部長詹妮弗·格蘭霍姆宣布，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用“國家點(diǎn)火裝置”（NIF）總能量為2.05兆焦耳的192路激光束，球?qū)ΨQ聚焦在微型氘氚燃料靶丸上，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的核聚變能量輸出。據(jù)介紹，該成果跨越了聚變點(diǎn)火閾值，歷史性地實(shí)現(xiàn)了凈能量增益（G&>1.5）。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)的成功也證實(shí)了慣性聚變能源的科學(xué)基礎(chǔ)。

此項(xiàng)成果將給能源變革及可控核聚變技術(shù)路線等帶來怎樣的影響？近日，針對相關(guān)問題，《中國科學(xué)報(bào)》專訪了中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員張杰。

作為激光等離子體物理學(xué)家，過去3年里，張杰帶領(lǐng)一個(gè)由中科院內(nèi)外15個(gè)單位的研究人員組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所神光II升級大型強(qiáng)激光實(shí)驗(yàn)研究平臺，對新型激光核聚變方案開展了8輪大型聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究。在他看來，美國NIF團(tuán)隊(duì)取得的新成果從科學(xué)原理和工程技術(shù)上驗(yàn)證了激光核聚變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)凈能量增益的可行性，是人類邁向聚變能時(shí)代的一個(gè)重要里程碑。

張杰：慣性約束聚變路線與磁約束聚變路線是人類實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)的兩條主要技術(shù)路線。目前，這兩條路線所處的發(fā)展階段是類似的，都到了跨越“門檻”的關(guān)鍵時(shí)刻。

根據(jù)美國能源部新聞發(fā)布會上的信息，氘氚核聚變反應(yīng)釋放了大約3.15兆焦的聚變能，大約是用于壓縮和加熱氘氚燃料靶丸驅(qū)動激光能量的1.5倍，實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)輸出能量大于驅(qū)動激光能量的“點(diǎn)火”目標(biāo)。

當(dāng)然，目前的突破相對于實(shí)現(xiàn)聚變能應(yīng)用的目標(biāo)還有很長的路要走。雖然這次NIF實(shí)驗(yàn)首次成功實(shí)現(xiàn)了與驅(qū)動激光能量相比的凈能量增益“點(diǎn)火”，但這個(gè)“點(diǎn)火”與發(fā)電站用的Q值（輸出能量與輸入能量之比）并非同一個(gè)概念，因?yàn)楫a(chǎn)生NIF裝置2.05兆焦耳的驅(qū)動激光能量還需要耗費(fèi)322兆焦電能。

那么，為什么這次進(jìn)展如此令人興奮呢？從能源角度看，人類歷次工業(yè)革命的根本驅(qū)動力都是以提高化石能源使用效率為基礎(chǔ)的。面向未來可持續(xù)發(fā)展的需求，人類社會迫切需要更高能量密度、更安全經(jīng)濟(jì)的非碳終極能源——核聚變能。從這個(gè)意義上說，NIF實(shí)驗(yàn)的“點(diǎn)火”成功首次展示了人類脫離化石能源進(jìn)入聚變能時(shí)代的潛力。因此可以說，這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果是人類邁向核聚變能時(shí)代的里程碑。

《中國科學(xué)報(bào)》：您在2021年初時(shí)曾說過，激光聚變研究走到了“門檻”。如今這個(gè)“門檻”是否跨過去了？下一個(gè)“門檻”又會是什么？

張杰：在2021年初，我的確說過，核聚變反應(yīng)單位質(zhì)量的輸出能量比化石燃料高數(shù)百萬倍，在反應(yīng)過程中不排放碳、不產(chǎn)生長壽命的放射性廢物，而且核聚變?nèi)剂蠘O其豐富，因此被稱為未來人類社會可持續(xù)發(fā)展的“終極”能源。經(jīng)過世界各國科學(xué)家60多年堅(jiān)持不懈的研究，人類已經(jīng)走到核聚變反應(yīng)的“點(diǎn)火”門檻。

這次NIF實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明人類已經(jīng)跨過了這道門檻，證明了在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)凈能量增益可控核聚變的科學(xué)可行性，也為下一步聚變能源應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。當(dāng)然，如果從激光聚變能源應(yīng)用角度看，前面還有很長的路要走。下一步激光聚變研究的焦點(diǎn)將從追求“點(diǎn)火”目標(biāo)變?yōu)樽非蟾吣芰吭鲆娴木圩兎桨?，再到?shí)現(xiàn)聚變發(fā)電。

無論是慣性約束核聚變還是磁約束核聚變，在跨過“點(diǎn)火”目標(biāo)的門檻之后，作為未來能源應(yīng)用的共同目標(biāo)依然是實(shí)現(xiàn)核聚變輸出能量達(dá)到輸入能量的10倍、30倍、100倍增益，獲得近乎取之不盡、用之不竭的清潔能源。

《中國科學(xué)報(bào)》：美國能源部正在重啟慣性核聚變能計(jì)劃。目前NIF取得的成果是否會使全球?qū)⒏嘟?jīng)費(fèi)投入慣性約束核聚變而非磁約束核聚變領(lǐng)域？

張杰：對于目前世界幾個(gè)全力推進(jìn)可控核聚變研究的大國來說，磁約束和慣性約束核聚變這兩條路線依然會同時(shí)推進(jìn)。

10多年前，科學(xué)界、國家科技決策層經(jīng)過共同討論，最終達(dá)成了我國加入國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃（ITER）的共識。從目前看，中國對ITER的貢獻(xiàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)期，這足以說明我國對磁約束核聚變路線的重視。不管是ITER還是東方超環(huán)，這種已經(jīng)形成廣泛共識的項(xiàng)目都不會因?yàn)镹IF這次成果而停下來。當(dāng)然，我國對慣性約束聚變研究的努力一定會因此得到激勵(lì)。

張杰：NIF是目前世界上最大和最復(fù)雜的激光光學(xué)系統(tǒng)，長215米、寬120米，大約相當(dāng)于3個(gè)足球場的面積。從1997年開工到2009年正式落成，其總計(jì)投入在35億美元以上，如果加上過去10多年在相關(guān)研究上的投入，總經(jīng)費(fèi)達(dá)數(shù)十億美元之多。

由于這次實(shí)驗(yàn)的重要性，NIF這一輪實(shí)驗(yàn)中使用的驅(qū)動激光能量從1.9兆焦提高到2.05兆焦，看似提高不多，但其實(shí)已經(jīng)逼近NIF激光能量的最大輸出極限。未來，他們還會進(jìn)一步努力提高驅(qū)動激光的能量，希望在更高的驅(qū)動激光能量下獲得更好的結(jié)果。

《中國科學(xué)報(bào)》：發(fā)布會上提到，NIF在2022年9月進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)。據(jù)您所知，他們在設(shè)計(jì)上做了怎樣的調(diào)整？

張杰：這次NIF實(shí)驗(yàn)將2.05兆焦的激光能量通過192路激光束聚焦到2毫米的重金屬黑腔內(nèi)，把激光能量轉(zhuǎn)化為均勻的X射線輻射，X射線再對氘氚靶丸進(jìn)行壓縮和加熱，從而將燃料靶丸壓縮到太陽內(nèi)核的溫度和壓力，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。

在2021年8月8日之前，他們的設(shè)計(jì)方向主要是對靶進(jìn)行優(yōu)化，包括空腔、氘氚靶丸及燒蝕層等。優(yōu)化的結(jié)果是8月8日取得了破紀(jì)錄的聚變反應(yīng)——產(chǎn)生了1.35兆焦耳的能量，約為輸入激光能量的70%，是世界上最接近凈能量增益的一次。

此后，他們將優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向調(diào)整到了輻射場的均勻度上，并取得了新進(jìn)展。激光束和激光束之間的能量轉(zhuǎn)移原本是一個(gè)副作用，現(xiàn)在他們掌握了把副作用變成有利效應(yīng)的方法，可以讓內(nèi)部輻射場均勻化且均勻度好于1%，這應(yīng)該是他們這次取得的最大技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)，經(jīng)過對激光能量的進(jìn)一步提高以及對靶丸燒蝕層厚度的微調(diào)，2022年12月5日，NIF終于實(shí)現(xiàn)了凈能量增益的聚變“點(diǎn)火”。

《中國科學(xué)報(bào)》：按照NIF目前的技術(shù)設(shè)計(jì)，有沒有可能進(jìn)一步提高能量增益？

張杰：在這次新聞發(fā)布會上，他們提到“要進(jìn)一步提高驅(qū)動激光的能量，希望能夠獲得更大的聚變能”。從這句話里能夠感覺到，他們對于用同樣激光能量獲得更大聚變能量輸出是有所保留的。

但可以確認(rèn)的是，假如這個(gè)結(jié)果可以重復(fù)的話，之后如果他們進(jìn)一步提高驅(qū)動激光能量，我相信聚變輸出的能量會進(jìn)一步提高，而且很有可能不是線性提高，而是非線性提高。

張杰：在磁約束核聚變方面，早在上世紀(jì)70年代，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所就開始了核聚變相關(guān)研究，并于上世紀(jì)90年代啟動磁約束核聚變能技術(shù)——超導(dǎo)托卡馬克的研究。

2006年，被譽(yù)為“人造太陽”的東方超環(huán)正式建成，成為我國自行設(shè)計(jì)研制的國際首個(gè)全超導(dǎo)托卡馬克裝置。同年，以中科院為主導(dǎo)的中國團(tuán)隊(duì)加入ITER，成為全球探索“人造太陽”新能源隊(duì)伍中的重要一員。

在慣性約束核聚變研究方面，上世紀(jì)60年代，我國科研人員就在王淦昌先生的倡議下在中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所開啟了激光慣性約束核聚變研究。上世紀(jì)80年代，該所開啟了大型綜合性激光裝置——“神光”的預(yù)研工作。該裝置于1986年建成，被稱為“神光I”。2000年和2015年，我國又先后建成神光II激光裝置和神光III主機(jī)激光裝置并投入使用。

2020年，中科院啟動了新型激光聚變方案的先導(dǎo)專項(xiàng)研究，采用與美國完全不同的激光聚變方案，希望大幅度提高激光聚變點(diǎn)火的能量轉(zhuǎn)換效率。目前相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究正在進(jìn)行中。