陈贺能：激光核聚变曙光初现

位于美国加州的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室。(资料图片)

　　新闻背景

　　日前有消息称，美国加利福尼亚州北部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的激光聚变装置——“国家点火装置”(NIF)在最近的一次试验中，核聚变反应产生的能量首次超过了燃料吸收的能量。这既是重要的科研进展，也预示人类向着获得“永久的清洁能源”的理想又前进了一大步。

　　所有激光束进入这个转笔刀大小的圆柱体金属舱内部时，它们将产生强烈的X光线。这些X光线不仅仅可以把豌豆大小的氢燃料球压缩成一个直径只有人类头发丝截面直径大小的小点，它还能够将其加热到大约300万摄氏度的高温。尽管激光的爆发只能持续大约十亿分之一秒，但物理学家们仍然希望这种强烈的脉冲可以迫使氢原子相互结合形成氦，同时释放出足够的能量以激活周围其他氢原子的聚变，直到燃料用尽为止。

　　随着人类社会生产与生活对能源的需求不断增加，化石燃料开采量越来越大，资源枯竭问题越来越突出。现实要求我们必须尽快寻求其他方法，大量生产安全、可靠、无污染、清洁环保的可持续能源，以满足未来人类社会发展的长期需要。

　　对核聚变能的研究之所以一直受到科学家的普遍重视，是因为以这种方式获得的能源，所用的燃料(例如氢元素中的两个同位素氘和氚)就存在于海水中，永不枯竭;它不排放二氧化碳，不会对地球大气产生温室效应，不需处理那些伤害人类居住环境的、具有非常长半衰期的强放射性核废料，不会发生铀基核裂变电站堆芯熔融的核事故!

　　尽管有这么多诱人的好处，但长期以来核聚变能被各大国政府所持的能源政策所忽视，其理由是，核聚变能的研究离实用还很遥远，技术“太不成熟”了。

　　实现核聚变

　　需超高温、超高压两个条件

　　众所周知，核聚变能是宇宙中恒星(例如太阳)的动力来源。而太阳深部之所以能产生热核聚变反应，是因为太阳内部有极高的温度;太阳深部物质等离子体遭遇来自太阳中心的、天然存在的巨大重力压力。这意味着太阳深部物质等离子体的密度极大。

　　人类想要在地球上成功模拟太阳内部不断发生的热核聚变过程而获得巨大能量，就必须为能产生聚变的物质等离子体创造两个必要条件，即：极高的温度和极大的压力(即极大的密度)。这也是氢弹成功爆炸的必要条件。

　　从物理学基本知识可知，温度越高，物质粒子运动的动能就越大，运动越激烈。按照科学家的理论估算，等离子体内离子的动能必须大于10～20千电子伏，核聚变才可能发生。这就是说，等离子体的温度至少要高于1.1亿摄氏度。

　　等离子体是物质的第四态，压力、温度、体积三者的相互关系也具有与气体相似的性质，被称为“类气体”。如果大大增加压力，等离子体的体积就会被压缩，这意味着在它内部的粒子相互碰撞的机会大大增加。对于氘-氚核聚变反应来说，科学家推算，等离子体密度要大于200～1000 克/立方厘米，大致相当于固态铅密度的100倍。要做到这一点显然极其艰难，因为等离子体中的氘核和氚核都带正电荷，自然产生静电斥力，而且极高的温度使等离子体内粒子的运动更剧烈，所以，要和离子间的斥力抗争，科学家必须引入极为强大的压力(至少相当于地球表面大气压的1000亿倍)施与高温等离子体。

　　如果上述两个条件都能满足，两个氢元素的原子核就能靠近得足以聚合成为新的元素，引发聚变反应，释放出巨大的能量。然后，人类还应能够驾驭它，使这一聚变反应按照我们的需要来持续释放能量，为人类使用。

　　激光“点火”

　　实现可控核聚变途径之一

　　迄今为止有两种方案可能实现人工驾驭的核聚变。第一种是“磁约束核聚变”。磁约束的难点在于受强大磁场约束的等离子体依然不易被约束，它们很易逃逸(泄漏)或常常变得不稳定。有我国参与、七国联合建设的国际热核聚变实验堆(ITER)的科学家们正在加紧研究解决之道，为最终实现磁约束可控核聚变而努力。

　　第二种称作“惯性约束核聚变”，那是瞬间将一个含有聚变物质氘和氚的微型燃料靶丸加热至超高温度，并同时对它施以极大压力，将靶丸物质高度压缩而导致“点火”引发核聚变的过程。

　　“惯性约束核聚变”可以通过下面的具体例子来说明。科学家设想制造一个中空的、直径约为2毫米左右的微型塑胶小球丸，其内封有适当比例的、能引发核聚变的氘(也称“重氢”)和氚(也称“超重氢”)混合反应物约150微克。当它在二百亿分之一秒的极短的时间内被加热至超过1.1亿摄氏度的极高温度时，小球丸表层物质原子的外层电子就会迅速被剥离，带正电荷的原子核因排斥力而飞离小球丸，它们高速飞离的同时又对小球丸中心产生强大的反作用力，其所形成的“冲击波”会从各方对着小球中心产生极大的压力，形成足够强大的惯性约束，使得小球丸内各原子核在同一瞬间达到极高密度水平，这时各原子核之间就能克服本来的静电斥力而聚合在一起，从而导致核聚变反应的产生。

　　用高能离子束、或者用X光束照射，都可以用于加热并压缩小球丸。自从上世纪60年代激光器问世以来，科学家已经知道激光束具有高能量密度的特性，强激光脉冲可以电离气体中的原子，使电子与原子核分开，产生等离子体。早年的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家于是开始考虑用收敛的高功率脉冲激光束在实验室里点燃核聚变，引发“微爆”，并为此做了很多前期的研究。

　　利弗莫尔实验室建设世界上最强大的激光器研究核聚变的计划，得到美国能源部及其属下的国家核安全局的支持。凭借着能源部超过35.4亿美元的巨大前期投资，这个世界最大的激光器于1997年开始建设。虽然期间遇到诸多周折，但到2009年终于建成。整个NIF项目占地面积16 000多平方米，差不多有三个足球场那么大。这使利弗莫尔实验室一举成为拥有世界上最先进、最强大的激光系统，最有条件进行激光受控热核聚变探索性研究的实验室。2012年7月的实验中，192支高能激光器构成阵列发射的紫外激光脉冲虽然只维持了10亿分之23秒，但产生的峰值功率达到500万亿瓦，相当于美国在任何给定时间内全国耗电总功率的1000倍。

　　激光约束核聚变

　　商业化运行要克服诸多困难

　　眼下，美国国家点火装置(NIF)的巨大投入已经收获了两大具有里程碑意义的目标。第一个目标是，它向世人展示，人类完全有能力使用强大脉冲激光“点火”，实现人工的热核聚变。第二个目标是实现了能量增益，就是说，核聚变反应产生的能量首次超过了燃料吸收的能量。

　　不过，要达到建设多个受控核聚变反应堆、最终用其建成数百万千瓦级核聚变发电站的目标，还有很多工作要做。

　　例如，成功点火之后如何清理聚变产物，不是成功地点几次火而是有规律地不断(即高重复频率)“点火”、“清理”，实现“自持”的链式核聚变反应等，科学家还需探索;

　　此外，激光技术特别是半导体二极管泵浦固体激光器、大功率半导体激光技术的不断进步，对惯性约束核聚变研究的作用十分重要，随之带来的大尺寸非线性光学(倍频)晶体(注：它是一种比金子还要贵重的人工晶体)、超大功率激光器件等不断更新，将可能促进“点火”方案的更新;

　　还有，聚变产物有中子释放出来，它的强穿透能力以及对生物、人体的伤害不可忽视。燃料中的氚也具有放射性，它释放出β粒子，其半衰期为12.5年，也要认真注意屏蔽。如何既经济又安全地获得并浓缩氚燃料，也是需要进一步探索的。

　　专家普遍认为，在现有的成就基础上再有几十年的努力，一整套商业上可运行的、成熟的激光惯性约束受控核聚变百万千瓦级发电厂，将很有可能在本世纪中叶出现。

　　(作者为中科院新技术开发局高级工程师、中科院老科学家科普演讲团成员)