耗資35億美元的美國國家點(diǎn)火裝置用了10多年時間不斷沖擊點(diǎn)火目標(biāo)，過程一波三折。成功點(diǎn)火后有兩條路可走。一是沖刺更高的能量增益，未來或?qū)⒃俳ǜ竽芰康募す庋b置。二是尋求更加簡單的點(diǎn)火方式，往實(shí)用方面繼續(xù)開展研究。

·對于中國的核聚變研究者來說，要不斷通過實(shí)驗(yàn)加深理解、修正模型，逐步逼近一個真實(shí)的狀態(tài)。具備了激光核聚變的競爭力，將來面對的是一個寬闊的國際舞臺。

美國能源部發(fā)布視頻，公布勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室激光核聚變點(diǎn)火成功的消息。

北京時間12月13日，美國能源部官員宣布，由美國政府資助的加州勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促發(fā)該反應(yīng)的鐳射能量。實(shí)驗(yàn)向目標(biāo)輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的聚變能量輸出，能量增益達(dá)到153%。3.15兆焦耳的能量相當(dāng)于二兩炸藥的爆炸威力。

“這是世界上首次激光核聚變點(diǎn)火?！敝袊茖W(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、高功率激光物理國家實(shí)驗(yàn)室主任朱健強(qiáng)12月13日晚在接受澎湃科技（www.thepaper.cn）專訪時表示，美國國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF）的點(diǎn)火工作開啟了一扇新的大門，“未來一定會有更豐富的物理，會有更挑戰(zhàn)性的問題提出并共同沖刺，這是非常了不起的?！?/p>

10多年沖擊點(diǎn)火目標(biāo)，過程一波三折

核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象，它是恒星（例如太陽）的能量來源。核聚變能也是全世界能源發(fā)展的前沿方向，被視為未來社會的“終極能源”。如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環(huán)境危機(jī)困擾。到目前為止，人類對受控核聚變的研究主要分為兩類，一種是磁約束核聚變，另一類就是此次成功點(diǎn)火的激光核聚變。

耗資35億美元的美國國家點(diǎn)火裝置位于勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，最初是為了通過模擬爆炸來測試核武器，后用于推進(jìn)聚變能研究。占地面積有三個足球場大的NIF從2010年開始正式的點(diǎn)火試驗(yàn)，美國用了10多年時間不斷沖擊點(diǎn)火目標(biāo)，過程一波三折。

2014年，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家獲得成果，但當(dāng)時產(chǎn)生的能量非常小，相當(dāng)于一個60瓦的燈泡在5分鐘內(nèi)消耗的能量。2021年8月，NIF在一次聚變反應(yīng)中產(chǎn)生了1.37兆焦耳的能量，約為那次激光能量的70%，是世界上最接近凈能量增益的一次。

去年9月和10月，科研人員想沖刺更高的能量增益，卻沒有再現(xiàn)去年8月的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。朱健強(qiáng)說，“雖然當(dāng)時重復(fù)實(shí)驗(yàn)沒有成功，但里面的問題更加清晰，在以后的實(shí)驗(yàn)中就可以規(guī)避。今年9月份又成功再現(xiàn)了一次去年的結(jié)果，今年12月5日再次沖刺，得到了3.15兆焦耳的能量輸出，這是非常了不起的一個里程碑式的工作?！?/p>

朱健強(qiáng)分析，NIF成功點(diǎn)火后，有兩條路可走。一是沖刺更高的能量增益，這次沖刺以后或?qū)⒃俳ǜ竽芰康募す庋b置。二是尋求更加簡單的點(diǎn)火方式，往實(shí)用方面繼續(xù)開展研究。

一位藝術(shù)家為NIF實(shí)驗(yàn)中的燃料艙所作的插畫。

建設(shè)商業(yè)電站仍需幾十年，幾大挑戰(zhàn)要解決

美國能源部長詹妮弗·格蘭霍姆表示，美國首次成功在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)凈能量增益是一項(xiàng)“里程碑式的成就”。這項(xiàng)成果預(yù)計(jì)將可能幫助人類在實(shí)現(xiàn)零碳排放能源的進(jìn)程中邁出關(guān)鍵一步。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室主任金·布迪爾（Kim Budil）在13日的新聞發(fā)布會上表示，如果想將這一成果商業(yè)化，核聚變技術(shù)仍有“重大障礙”需要克服，可能還需要幾十年的努力和投資。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室主任金·布迪爾博士在能源部舉行的新聞發(fā)布會上說。圖片來源：Chip Somodevilla/Getty Images

朱健強(qiáng)表示，要建成商業(yè)電站仍需幾十年的努力。從概念真正做到應(yīng)用一定要有各種邊界條件。首先，激光驅(qū)動器要高重頻工作，相比當(dāng)下三四個小時打一發(fā)激光，驅(qū)動器的工作體制肯定和現(xiàn)在不同，建電站至少一秒鐘打10次激光，這不是現(xiàn)有激光器所具有的能力。同時，輸出能量的能量增益要達(dá)到百倍以上，才有可能探索電站建設(shè)。此外，要尋找更簡單、更高效、性價比更高的聚變方式。朱健強(qiáng)表示，“現(xiàn)在只是開了一扇門，這扇門開得非常精彩，門內(nèi)更是精彩紛呈。”

上世紀(jì)60年代，激光一誕生，世界各國的科學(xué)家就開展了激光核聚變研究。NIF的點(diǎn)火成功是將近60年的努力，是好幾代人的不懈追求。朱健強(qiáng)表示，NIF的點(diǎn)火增強(qiáng)了這一領(lǐng)域的研究信心，對于中國的激光核聚變研究者來說，要不斷通過實(shí)驗(yàn)加深理解、修正模型，逐步逼近一個真實(shí)的狀態(tài)?！斑@個工作不像以前做理論研究有固定公式，而是要構(gòu)建理論體系，理論體系中還存在各種各樣的微擾量，要把微擾量搞清楚，才會逼近真實(shí)?！?/p>

激光核聚變是科學(xué)和工程相結(jié)合的大項(xiàng)目，也代表一個國家的實(shí)力。“全世界沒有幾個國家能夠設(shè)計(jì)和建造激光核聚變裝置，我國在該領(lǐng)域具備了體系性的核心競爭力，將來面對的是一個很寬闊的國際舞臺，也是展示中國能力的一個非常重要的顯示度?！?/p>

以下是澎湃科技與中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、高功率激光物理國家實(shí)驗(yàn)室主任朱健強(qiáng)的對話實(shí)錄。

澎湃科技：怎么看待這次NIF成功點(diǎn)火？

朱健強(qiáng)（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員、高功率激光物理國家實(shí)驗(yàn)室主任）：這是世界上首次激光核聚變點(diǎn)火。激光核聚變的發(fā)展是一個非常曲折的過程。上世紀(jì)60年代，激光一誕生，科學(xué)家就開展了激光核聚變的研究。所以NIF成功點(diǎn)火不是一天就取得的，而是將近60年的努力，是好幾代人的不懈追求。

激光核聚變本身是一個科學(xué)目標(biāo)，同時又是一個科學(xué)和工程相結(jié)合的大項(xiàng)目，是與人類關(guān)系最為密切的一個項(xiàng)目，也代表一個國家的實(shí)力。美國科學(xué)家不懈努力，在近期獲得了一個重要的進(jìn)展，對同行來講，是非常令人舞的事。

從去年8月開始，NIF就有了達(dá)到臨界點(diǎn)火狀態(tài)的苗頭，我們內(nèi)部也在判斷，認(rèn)為它在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火的可能性還是很大的。原來NIF的科學(xué)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)10倍能量增益，現(xiàn)在做到1倍以上，得失相當(dāng)，我覺得這就是一個里程碑式的工作，1倍以上就代表點(diǎn)火了。所以從這個角度看，美國基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火的預(yù)期目標(biāo)，后面它肯定會沖刺更高增益的點(diǎn)火，同時也會在全球掀起一個研究高潮。

這么大的成功是建立在以前多次失敗的基礎(chǔ)上。縱觀六十年的研究歷史，對激光核聚變的研究盡管沒有取得預(yù)期目標(biāo)，但依然沒有下馬，也說明了激光核聚變的重要價值，今天聚變點(diǎn)火的成功，可以預(yù)期今后激光聚變研究將進(jìn)入一個新時代。

澎湃科技：點(diǎn)火也稱為能量增益。

朱健強(qiáng)：能量增益就是輸入進(jìn)去多少能量，聚變反應(yīng)后能輸出多少能量，也就是產(chǎn)出和輸入的能量比。能量增益為1就意味著打進(jìn)去多少能量，聚變反映出來多少能量。凈能量增益就是輸出的能量超過了輸入的能量。

澎湃科技：7月份，《自然》報(bào)道，美國科學(xué)家后來未能復(fù)制2021年8月創(chuàng)紀(jì)錄的實(shí)驗(yàn)，說明研究人員無法精確地理解、設(shè)計(jì)和預(yù)測這些能量下的實(shí)驗(yàn)。

朱健強(qiáng)：這里面的問題是非常復(fù)雜的，因?yàn)榧す饩劢构獍呒皩?shí)驗(yàn)用靶的狀態(tài)，每次都是不一樣的。激光的靶丸不到1毫米，在這么高能量、高密度的狀態(tài)下，激光核聚變在建立的過程中有很多隨機(jī)性，是不可確定的。所以每一次的實(shí)驗(yàn)可能都會有漲落，有了第一次成功的經(jīng)驗(yàn)，奠定了將來的高追求成功率的基礎(chǔ)。

美國原來在做點(diǎn)火工程的過程中，NIF的設(shè)計(jì)目標(biāo)是輸出的能量要比目前常規(guī)運(yùn)行的高，設(shè)計(jì)的大概是2.4兆焦耳，但實(shí)際運(yùn)行只有1.4兆焦耳，主要是后來的一些損傷導(dǎo)致激光器不能正常運(yùn)行，所以沒有很好實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火預(yù)期。

這就造成了一個誤區(qū)，以為美國點(diǎn)不了火，實(shí)際上它的體系是強(qiáng)大的。美國有一種理論叫營地戰(zhàn)術(shù)，一個問題一個問題地解決。營地戰(zhàn)術(shù)的核心是頂尖科學(xué)家能指出營地在哪里，才能逐步推進(jìn)解決問題。所以NIF成功點(diǎn)火非常不容易，最頂尖的專家能在不確定的情況下構(gòu)建出理論構(gòu)架、模擬仿真，制定出實(shí)驗(yàn)方案，逐步逼近點(diǎn)火。

NIF建完以后，美國用了10多年時間不斷沖擊點(diǎn)火目標(biāo)，過程是一波三折。去年8月8日，他們做到能量增益0.7左右。只要激光的能量輸出、制靶、診斷配合好，還是會得到一個很好的結(jié)果。但非常遺憾，去年9、10月份想沖刺更高的增益，結(jié)果沒有再現(xiàn)去年8月份的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這實(shí)際上是考驗(yàn)科學(xué)家意志和能力的時候了，總是沒有達(dá)到目標(biāo)肯定會受到質(zhì)疑。雖然當(dāng)時重復(fù)實(shí)驗(yàn)沒有成功，但里面的問題更加清晰，在以后的實(shí)驗(yàn)中就可以規(guī)避，今年9月份又成功再現(xiàn)了一次去年的結(jié)果，12月5日再次沖刺得到3.15兆焦耳的能量輸出，3.15兆焦耳的能量相當(dāng)于二兩炸藥的爆炸威力。這是非常了不起的一個里程碑式的工作。美國能源部正式公布這個消息，向全世界正式宣布點(diǎn)火成功。

澎湃科技：實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火后，接下來的研究方向會是什么樣的？

朱健強(qiáng)：目前來講有兩條路。一是往更高的增益上走，當(dāng)然這有很大難度，實(shí)際上美國的激光器能力已經(jīng)到極限，原先設(shè)計(jì)的輸出能量是2.4兆焦耳，現(xiàn)在也無法在2.4兆焦耳下運(yùn)行，當(dāng)初能量沒打上去就是因?yàn)榧す馄鞯慕K端損傷嚴(yán)重，這次沖刺以后可能要再擴(kuò)建更大能量的激光裝置。二是尋求更加皮實(shí)、簡單的點(diǎn)火方式?？茖W(xué)目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，接下來怎么在懸崖上走得更加穩(wěn)健、皮實(shí)，就需要往實(shí)用方面繼續(xù)開展研究。

NIF的點(diǎn)火工作已經(jīng)開啟了一扇新的大門，原來是探索門怎么開，現(xiàn)在門開了，里面是另外一番風(fēng)景，未來一定會有更豐富的物理，會有更挑戰(zhàn)性的問題提出并共同沖刺，這是非常了不起的。

澎湃科技：剛剛提到要探索更簡單的點(diǎn)火方式，目前NIF使用的是傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火方式。

朱健強(qiáng)：NIF是間接驅(qū)動的點(diǎn)火方式。點(diǎn)火方式目前來講公認(rèn)的有三種物理模型，一是NIF做的中心點(diǎn)火，這種方式不光可以用來點(diǎn)火，對國防安全、戰(zhàn)略安全是有很大用處的。二是直接驅(qū)動，未來的能源，我認(rèn)為直接驅(qū)動的可能性是最大的。直接驅(qū)動的好處是皮實(shí)、簡單，激光直接輻照，不需要能量間接轉(zhuǎn)移，直接驅(qū)動是未來必然的探索。三是快點(diǎn)火，點(diǎn)火需要高溫、高密度，快點(diǎn)火把兩個狀態(tài)解耦，先產(chǎn)生高密度，再加溫。這是一種新型的點(diǎn)火方式，這個方式會得到非常高的效率，中國科學(xué)院早在2020年就支持我們開展做這方面的攻關(guān)，張杰院士是首席科學(xué)家。

澎湃科技：接下來有哪些機(jī)遇和挑戰(zhàn)？

朱健強(qiáng)：機(jī)遇就是美國點(diǎn)火成功了，對未來的發(fā)展增強(qiáng)信心，我們國家也會有更大的投入。

快點(diǎn)火也好，直接驅(qū)動點(diǎn)火也好，遇到的問題很多。美國號稱間接驅(qū)動是最皮實(shí)的方式，都費(fèi)了這么大的力氣才實(shí)現(xiàn)。勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室是非常有影響力的武器實(shí)驗(yàn)室，幾百號人專門從事這方面的研究，實(shí)力不可小覷。

這也給我們一個啟示，要不斷通過實(shí)驗(yàn)加深理解，然后修正模型，逐步逼近一個真實(shí)的狀態(tài)。這個工作不像以前做理論研究有固定公式，而是要構(gòu)建理論體系，理論體系中還存在各種各樣的微擾量，要把微擾量搞清楚，才會逼近真實(shí)。這是一個多維一體的科學(xué)工程，是非常復(fù)雜的大體系。

回過頭來看，中國為什么也在持續(xù)不斷研究激光核聚變？上海光機(jī)所建所的一個目標(biāo)就是激光核聚變，我們這支隊(duì)伍將近60年一直沒有改變初衷，在國家的支持下，持續(xù)開展激光聚變研究。后續(xù)的重大研究計(jì)劃，也列入了國家項(xiàng)目持續(xù)支持。

澎湃科技：通過受控核聚變，未來可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)電站，但仍然很久遠(yuǎn)。

朱健強(qiáng)：可能需要幾十年的努力。

澎湃科技：要實(shí)現(xiàn)商業(yè)電站，還要經(jīng)歷哪些研究過程？

朱健強(qiáng)：就像造飛機(jī)，一開始是概念，真正的商業(yè)都是要經(jīng)過漫長的過程。光通訊也好，飛機(jī)也好，人造衛(wèi)星也好，原子彈也好，構(gòu)型是一個想象，真正做到應(yīng)用，一定要有各種邊界條件。

首先，效率要高。一來涉及重復(fù)率，因?yàn)榫圩兡芰渴且兄貜?fù)率的。打一發(fā)激光產(chǎn)生聚變，有能量產(chǎn)出了，下一發(fā)再過很長時間也不行。現(xiàn)在三四個小時打一次激光，肯定做不了電站，做電站至少一秒鐘打10次激光。激光要持續(xù)產(chǎn)生，這一類激光器就會發(fā)生很大的變化，現(xiàn)在的激光器是不能做這個事的。二來涉及轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)在做到輸出能量和輸入能量相當(dāng)，做電站至少要輸出能量是輸入的百倍以上。這也是兩個挑戰(zhàn)，所以現(xiàn)在只是開了一扇門，這扇門開得非常精彩，門內(nèi)更是精彩紛呈。

第二是要尋找更簡單、更高效的聚變方式?，F(xiàn)在只是實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火，下一步可能要尋求最優(yōu)的、最簡單的、性價比最高的方式去做商業(yè)。

瞄著這條路，未來會有很多的研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)，甚至公司投入更多精力發(fā)展。不僅僅是對科學(xué)目標(biāo)，應(yīng)該看到，作為激光聚變研究的大科學(xué)工程對國民經(jīng)濟(jì)的推動作用也是巨大的。NIF每年派生出的技術(shù)產(chǎn)值效益號稱已經(jīng)大大超過了美國對它的投入。盡管是大投入，但回報(bào)是非常大的，這也是美國持續(xù)支持這個領(lǐng)域發(fā)展的緣由之一。

中國激光核聚變研究在國際上是有影響力的。我們在國際競爭中嶄露頭角，在未來的能源建設(shè)過程中，這也是巨大的市場。全世界沒有幾個國家能夠設(shè)計(jì)和建造激光核聚變裝置，我國在該領(lǐng)域具備了體系性的核心競爭力，將來面對的是一個很寬闊的國際舞臺，也是展示中國能力的一個非常重要的顯示度。