*本文為‘三聯(lián)生活周刊’原創(chuàng)內(nèi)容

　　美國(guó)能源部官員于美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年12月13日宣布，由美國(guó)政府資助的加利福尼亞勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，以下簡(jiǎn)稱LLNL）首次成功地在核聚變反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)了“凈能量增益”，即聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于促成反應(yīng)所需輸入的能量。美國(guó)能源部長(zhǎng)詹妮弗·格蘭霍姆（Jennifer Granholm）在一份聲明中稱，這是一項(xiàng)“里程碑式的成就”。不少媒體更是將這一成果描述成未來(lái)世界的開(kāi)始，認(rèn)為核聚變將幫助人類徹底擺脫化石能源的束縛，獲得幾乎無(wú)限的零排放能源。事實(shí)真的如此嗎？

　　文 | 袁越

　　老規(guī)矩，先說(shuō)結(jié)論：核聚變肯定將會(huì)改變世界，這是毋庸置疑的。

　　無(wú)數(shù)事實(shí)證明，人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的最大限制因素就是能源。現(xiàn)有的能源形式當(dāng)中，化石能源是有限的，其儲(chǔ)量在幾十至數(shù)百年之后將會(huì)用盡，更不用說(shuō)溫室氣體排放導(dǎo)致的氣候變化了；可再生能源密度太低，需要占用大量空間，發(fā)展?jié)摿σ彩怯猩舷薜模换诤肆炎兊暮穗娬倦m然理論上可以擔(dān)此重任，但一來(lái)核裂變的原材料（主要是鈾）儲(chǔ)量也是有限的，二來(lái)核廢料的問(wèn)題不好解決，再加上民間的反核力量一直非常強(qiáng)大，核電站的發(fā)展受到了諸多人為限制，潛力很難發(fā)揮出來(lái)。

　　相比之下，核聚變的原材料（主要是氫的兩種同位素氘和氚）幾乎是無(wú)限的，其生產(chǎn)過(guò)程幾乎可以做到零排放，產(chǎn)生的核廢料也很少，處理起來(lái)要容易得多。這3個(gè)優(yōu)勢(shì)是現(xiàn)有的任何能源形式都無(wú)法與之相比的，如果核聚變能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的話，人類的生活質(zhì)量無(wú)疑將會(huì)上升到一個(gè)我們無(wú)法想象的高度。

　　說(shuō)完了理想，再說(shuō)現(xiàn)實(shí)：我們距離核聚變商業(yè)化還需多少年？這個(gè)問(wèn)題早在半個(gè)多世紀(jì)前就有人給出了肯定的回答：30年。不幸的是，這個(gè)答案直到今天仍然適用。

　　當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年12月13日，美國(guó)華盛頓特區(qū)，嘉賓們等待著美國(guó)能源部長(zhǎng)珍妮弗·格蘭霍姆在華盛頓特區(qū)能源部總部舉行的新聞發(fā)布會(huì)的開(kāi)始，宣布核聚變研究的突破。（圖|視覺(jué)中國(guó)）

　　那么，美國(guó)剛剛爆出的這個(gè)特大新聞會(huì)不會(huì)改變核聚變的發(fā)展軌跡？我的回答是：幾乎不會(huì)。因?yàn)檫@是個(gè)預(yù)料中的結(jié)果，并沒(méi)有給核聚變研究帶來(lái)任何理論上的幫助，也不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的核聚變商業(yè)化探索帶來(lái)任何實(shí)質(zhì)性的影響。我甚至認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果之所以被大張旗鼓地拿來(lái)宣傳，主要目的是為了給美國(guó)的納稅人一個(gè)交待，好讓美國(guó)國(guó)會(huì)繼續(xù)為這個(gè)項(xiàng)目撥款。

　　下面我就來(lái)說(shuō)說(shuō)理由。我保證，這里面的理由并不難理解，一名普通的高中生就能看得懂。

　　核聚變簡(jiǎn)史

　　美國(guó)能

　　核聚變的原理說(shuō)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，就是兩個(gè)原子核撞在一起，合并成一個(gè)更大的原子核。其中一部分質(zhì)量會(huì)在這一過(guò)程中以能量的形式釋放出來(lái)，其質(zhì)能轉(zhuǎn)換比就是愛(ài)因斯坦著名的方程式E=MC2。因?yàn)楣馑伲–）是一個(gè)很大的數(shù)，所以一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量可以轉(zhuǎn)變成超多的能量，這就是為什么核電站的能量密度超高的原因。

　　核聚變是宇宙中最為常見(jiàn)的反應(yīng)，也是宇宙中絕大部分能量的來(lái)源。我們的太陽(yáng)就是一顆不停地進(jìn)行著聚變反應(yīng)的大火球，其中一小部分能量以光線的形式傳送到地球上，滋養(yǎng)了世間萬(wàn)物。

　　如此說(shuō)來(lái)，核聚變應(yīng)該很容易實(shí)現(xiàn)吧？錯(cuò)！因?yàn)樵雍硕际菐д姷模舜酥g有電荷斥力，需要很高的密度和動(dòng)能才能讓兩個(gè)原子核碰到一起并發(fā)生聚合反應(yīng)。換成工程師語(yǔ)言的話，這就相當(dāng)于把一團(tuán)熾熱的原子壓縮得非常緊密。但高溫和高壓是兩種截然相反的物理性質(zhì)，很難同時(shí)滿足，再加上核聚變會(huì)釋放出巨大的能量，這會(huì)讓原子團(tuán)變得更熱，因此也就更難被壓縮。

　　1958年，中國(guó)第一座原子核反應(yīng)堆（視覺(jué)中國(guó)供圖）

　　另一個(gè)難題就是如何控制核聚變，我們起碼得把核聚變?cè)牧涎b在一個(gè)容器里吧？但實(shí)現(xiàn)核聚變需要上億度的高溫和超高的壓力，人類不可能造得出這樣一種容器，只能想辦法讓核聚變材料和容器壁隔開(kāi)，沒(méi)有第二種選擇。

　　太陽(yáng)完美地解決了這兩個(gè)問(wèn)題：它懸浮在真空中，不需要容器，它體積巨大，其中心的溫度和壓力自然也就非常大，正好可以滿足核聚變的所有條件。即便如此，太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變強(qiáng)度也是很低的，只是因?yàn)樗罅耍葬尫懦鰜?lái)的能量已經(jīng)足夠地球生物使用了。

　　《熱核藝術(shù)》劇照

　　可惜太陽(yáng)所具備的條件在地球上極難實(shí)現(xiàn)，這就是為什么人類雖然早在1960年代初期就實(shí)現(xiàn)了核裂變發(fā)電的商業(yè)化，但核聚變電站直到現(xiàn)在都還遙遙無(wú)期的原因。

　　我們可以簡(jiǎn)單對(duì)比一下核裂變和核聚變：核裂變是放射性元素（比如鈾235）自發(fā)開(kāi)始的，裂變之后釋放出來(lái)的中子可以引發(fā)新的一輪核裂變，所以只要原材料的濃度達(dá)到一定水平，核裂變可以自發(fā)地維持下去，人類反而需要通過(guò)各種技術(shù)手段來(lái)降低核裂變的速度。現(xiàn)在所有核電站的工程師們挖空心思琢磨的都是怎么停止核裂變，這個(gè)任務(wù)相對(duì)來(lái)說(shuō)并不難，只要在原材料堆里插入能夠吸收中子的控制棒就行了。事實(shí)上，全世界的核電站運(yùn)行了那么多年，只發(fā)生過(guò)3次大的事故，其中兩次是人為因素，一次是自然原因，所以我堅(jiān)信核電站的安全性是相當(dāng)高的，其單位發(fā)電量所對(duì)應(yīng)的死亡人數(shù)遠(yuǎn)比化石能源發(fā)電站要低得多，和風(fēng)力發(fā)電或者太陽(yáng)能發(fā)電的水平不相上下。

　　1986年，切爾諾貝利核電站爆炸后， 一名工作人員戴著防毒面具提取樣本，用來(lái)檢測(cè)核輻射

　　與核裂變相反，地球上的核聚變是沒(méi)法自發(fā)開(kāi)始的，需要先將原材料加溫加壓到一個(gè)匪夷所思的程度，所以核聚變必須輸入大量能量才能得以維持。核聚變裝置的能量輸出輸入之比叫做“聚變能增益系數(shù)”，通常用Q來(lái)表示。只有當(dāng)Q值大于1時(shí)，這臺(tái)裝置才有可能用來(lái)發(fā)電，否則就只能用來(lái)搞科研了。事實(shí)證明，要想在工程上滿足這個(gè)要求是極其困難的，此前實(shí)驗(yàn)室所能達(dá)到的最高Q值是0.67，這是英國(guó)的JET裝置于1997年實(shí)現(xiàn)的。此次新聞中提到的LLNL實(shí)驗(yàn)室向核聚變裝置中輸入了2.05兆焦耳的能量，產(chǎn)生了3.15兆焦耳的能量輸出，其Q值達(dá)到了1.5，首次超過(guò)了1，理論上確實(shí)可以用來(lái)發(fā)電了。

　　2015年9月12日，山東省海陽(yáng)市海陽(yáng)核電站2號(hào)核島穹頂正在吊裝（IC Photo供圖）

　　寫(xiě)到這里也許有讀者會(huì)問(wèn)，基于核聚變?cè)淼臍鋸棽皇窃缇捅藛幔繘](méi)錯(cuò)是這樣的，但氫彈是用核裂變產(chǎn)生的高溫高壓來(lái)滿足核聚變條件的。核彈專家們?cè)谘b了氘和氚的容器內(nèi)部安置了一枚小型原子彈，利用核裂變產(chǎn)生的巨大能量在一瞬間把氘氚壓縮到極致，其能量在幾分之一秒的時(shí)間里就全部釋放出來(lái)了。這項(xiàng)技術(shù)并不難，凡是會(huì)造原子彈的國(guó)家都能做到。但核聚變電站需要的是可控的核聚變反應(yīng)，這可就難了。事實(shí)上，早期的核聚變研究者沒(méi)有任何頭緒，不知道人類是否能在地球上實(shí)現(xiàn)可控核聚變。要不是一位名叫萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）的普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授在一次滑雪時(shí)突發(fā)奇想，核聚變的商業(yè)化幾乎是一件不可能完成的任務(wù)。

　　核聚變研究的范式轉(zhuǎn)變

　　斯皮策想出來(lái)的方法解釋起來(lái)稍微有點(diǎn)復(fù)雜，簡(jiǎn)單說(shuō)的話就是用磁場(chǎng)來(lái)約束聚變高溫等離子體。等離子體（Plasma）是物質(zhì)在液態(tài)、固態(tài)和氣態(tài)之外的第四種形態(tài)，前三種形態(tài)在地球上最為常見(jiàn)，但等離子體卻是宇宙中最常見(jiàn)的物質(zhì)形態(tài)，占比高達(dá)99%以上。顧名思義，這是全部由離子組成的一種物質(zhì)形態(tài)，其中的電子在高溫作用下脫離了原子核的束縛，成為自由流動(dòng)的負(fù)離子，而原子核則因?yàn)閬G了電子而成為自由流動(dòng)的正離子。這兩種離子混在一起，整體上保持電中性，這就是等離子體。根據(jù)電磁定律，運(yùn)動(dòng)中的帶電粒子會(huì)在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生彎曲，而磁場(chǎng)是可以用通電線圈營(yíng)造出來(lái)的，于是斯皮策設(shè)想用線圈營(yíng)造出一個(gè)特殊形狀的磁籠，等離子體在抽成真空的容器中繞圈運(yùn)動(dòng)，在磁籠的約束下形成一個(gè)閉環(huán)，這樣就可以不用接觸容器壁了。

　　1953年，斯皮策和同事們?cè)谄樟炙诡D大學(xué)制造出了世界上第一臺(tái)“仿星器”（Stellarator），證明等離子體確實(shí)可以被磁籠約束在一根真空管的中央。同年，加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)建了此次新聞的主角LLNL，他們發(fā)明出了一種新的磁約束技術(shù)，可以讓以直線運(yùn)動(dòng)的等離子體在到達(dá)真空管道的一端后被彈回來(lái)，就像光線被鏡子反射回來(lái)一樣，這就是磁鏡（Magnetic Mirror）。

　　幾乎與此同時(shí)，英國(guó)牛津大學(xué)的科學(xué)家造出了全世界第一臺(tái)箍縮機(jī)。這臺(tái)機(jī)器利用等離子體在有電流通過(guò)時(shí)會(huì)自動(dòng)收縮（Pinch，即箍縮）的特性，用放電的方式對(duì)等離子體進(jìn)行壓縮，將核聚變材料約束在電流線的周圍，不讓它碰到容器壁。

　　就這樣，來(lái)自英美兩國(guó)的核物理學(xué)家在短短的3年時(shí)間里想出了至少三種利用磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體的方法，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明它們?nèi)寄芤l(fā)核聚變。雖然核聚變所產(chǎn)生的能量都遠(yuǎn)不如這3套裝置本身所消耗的能量多，但核聚變技術(shù)的發(fā)展速度讓大家信心爆棚。1955年8月，一批全球頂尖的核物理學(xué)家在日內(nèi)瓦召開(kāi)了第一屆聯(lián)合國(guó)和平利用原子能大會(huì)，印度裔會(huì)議主席霍米·巴巴（Homi Bhabha）在大會(huì)上預(yù)言，可控核聚變將在20年后成為現(xiàn)實(shí)。

　　《Let there be light》劇照

　　就在同一年，英國(guó)物理學(xué)家約翰·勞森（John Lawson）推導(dǎo)出了著名的勞森判據(jù)（LawsonCriterion），并于1957年將這一成果公之于眾。勞森判據(jù)是包含溫度、密度和約束時(shí)間這3個(gè)變量的一組公式，只要將核聚變裝置的這3項(xiàng)數(shù)據(jù)代入公式，就可以知道這臺(tái)裝置能否實(shí)現(xiàn)正能量，即能量的輸出大于輸入。

　　勞森判據(jù)中的這3個(gè)變量是乘積關(guān)系，也就是說(shuō)核聚變裝置的各項(xiàng)指標(biāo)不必全都特別出色，只要3項(xiàng)指標(biāo)都不太差，而其中有1~2項(xiàng)指標(biāo)特別優(yōu)秀就可以了。

　　核聚變的Q值和聚變?cè)系男再|(zhì)有很大關(guān)系，目前已知最容易實(shí)現(xiàn)正能量的聚變?cè)鲜堑缺壤碾盎旌衔铮渌愋偷暮司圩兯獫M足的參數(shù)條件要比氘氚大得多，所以最先建成的可控核聚變發(fā)電裝置幾乎肯定將會(huì)是氘氚聚變。其中氘可以從海水中提取出來(lái)，其蘊(yùn)藏量至少可供人類使用數(shù)百萬(wàn)年。氚在自然界中的蘊(yùn)藏量極少，目前基本上只能用核裂變反應(yīng)堆產(chǎn)生的高能中子轟擊金屬鋰來(lái)獲取，每年的產(chǎn)能只有20公斤左右。再加上氚是一種放射性元素，半衰期只有12年，這就給核聚變實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了很多麻煩，目前尚無(wú)好的解決辦法。

　　勞森判據(jù)的出現(xiàn)徹底改變了核聚變研究的范式，從此大家只需用沒(méi)有放射性的等離子體來(lái)做實(shí)驗(yàn)，就可以通過(guò)勞森判據(jù)來(lái)計(jì)算出如果改用氘氚的話將會(huì)是怎樣的結(jié)果。換句話說(shuō)，核聚變研究從此變成了一種工程學(xué)研究，大家拼的是如何降低等離子體的Q值，和核聚變本身已經(jīng)沒(méi)有太大關(guān)系了。

　　此后的10年里，英美兩國(guó)制造了好幾臺(tái)基于仿星器、磁鏡和箍縮技術(shù)的核聚變裝置，但它們的表現(xiàn)全都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期，大家這才意識(shí)到人類對(duì)于等離子體的物理性質(zhì)了解得太少了，根本無(wú)法對(duì)這種極端物質(zhì)形態(tài)的行為模式作出預(yù)判。舉例來(lái)說(shuō)，箍縮機(jī)可以把等離子體壓縮得非常致密，溫度也可以加得很高，但等離子體的箍縮非常不穩(wěn)定，只能維持很短的時(shí)間就會(huì)解體。相比之下，等離子體在仿星器中的約束時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些，但加熱加壓非常困難，同樣難以滿足勞森判據(jù)的要求。所以當(dāng)年最先進(jìn)的核聚變裝置的Q值還不到1/10000，距離正能量差得太遠(yuǎn)了。

　　橫空出世的托卡馬克裝置

　　就在大家心灰意冷，幾乎就要放棄核聚變的時(shí)候，從蘇聯(lián)傳來(lái)了一則讓人幾乎不敢相信的消息。人類有史以來(lái)建造的威力最大的“沙皇炸彈”（5000萬(wàn)噸TNT當(dāng)量）的設(shè)計(jì)師安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）設(shè)計(jì)了一個(gè)名為“電磁線圈環(huán)形室”（Toroidal Chamber with Magnetic Coil，即Tokamak，以下簡(jiǎn)稱托卡馬克）的磁約束裝置，大大提高了等離子體的穩(wěn)定性。這個(gè)新裝置相當(dāng)于仿星器和箍縮機(jī)的混合體，外形有點(diǎn)像輪胎，內(nèi)含多組線圈，有些線圈負(fù)責(zé)形成強(qiáng)磁場(chǎng)，從外部來(lái)約束等離子體，有些線圈負(fù)責(zé)箍縮，從內(nèi)部來(lái)約束等離子體。薩哈羅夫希望這個(gè)設(shè)計(jì)能夠把仿星器和箍縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)性能上的飛躍。

　　這件事再次證明，創(chuàng)新不是憑空而來(lái)的，而是各種舊事物的全新組合。

　　第一臺(tái)托卡馬克原型機(jī)建造于1958年，但蘇聯(lián)科學(xué)家直到1965年才公布了測(cè)試結(jié)果。西方科學(xué)家不相信蘇聯(lián)人的技術(shù)水平，沒(méi)把這件事放在心上。蘇聯(lián)科學(xué)家又于1968年公布了第二批實(shí)驗(yàn)結(jié)果，依然沒(méi)能打動(dòng)西方同行。于是蘇聯(lián)政府邀請(qǐng)英美科學(xué)家親自來(lái)蘇聯(lián)做測(cè)試，結(jié)果證明各項(xiàng)參數(shù)都要比西方國(guó)家的類似裝置好一個(gè)數(shù)量級(jí)，這下大家沒(méi)有理由再不信了。

　　“沙皇炸彈”的設(shè)計(jì)師安德烈 · 薩哈羅夫（視覺(jué)中國(guó) 供圖）

　　托卡馬克裝置的發(fā)明挽救了核聚變產(chǎn)業(yè)，因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，所需技術(shù)沒(méi)那么復(fù)雜，投資也在可承受的范圍內(nèi)，看上去是很容易成功的。于是，包括中韓印等一大批原本對(duì)核聚變發(fā)電敬而遠(yuǎn)之的國(guó)家也參與進(jìn)來(lái)，紛紛撥款建造自己的托卡馬克原型機(jī)，為即將到來(lái)的核聚變時(shí)代培養(yǎng)人才。在各方努力下，核聚變迎來(lái)了一段高速發(fā)展期，1969~1999年的Q值增加速度甚至快過(guò)了微電子行業(yè)的摩爾定律。

　　回望那個(gè)黃金年代，有3個(gè)核聚變裝置值得一提，這就是美國(guó)的TFTR、英國(guó)的JET和日本的JT-60。TFTR是由普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）負(fù)責(zé)建造的，它是全球第一個(gè)嘗試用氘氚各占一半的核聚變?nèi)剂习l(fā)電的托卡馬克裝置，輸出功率首次突破了1萬(wàn)千瓦大關(guān)。JET就是前文提到過(guò)的建于英國(guó)的托卡馬克裝置，于1997年用等比例的氘氚燃料創(chuàng)造了Q=0.67的世界紀(jì)錄，即用2.4萬(wàn)千瓦的能量輸入，換來(lái)了1.6萬(wàn)千瓦的能量輸出。

　　最值得一提的是日本的JT-60，這個(gè)裝置在技術(shù)參數(shù)上要好于前兩者，曾經(jīng)創(chuàng)造了5.22億℃的離子溫度世界記錄。但因?yàn)槿毡驹诜派湫圆牧系氖褂蒙洗嬖谥T多限制，日本科學(xué)家只能用氘來(lái)做實(shí)驗(yàn)，測(cè)出的Q值不高。但如果將實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算成氘氚的話，JT-60的Q值達(dá)到了1.25，首次實(shí)現(xiàn)了正能量。

　　2020年7月28日，法國(guó)南部，技術(shù)人員在制作磁場(chǎng)繞組，該設(shè)備用于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的托卡馬克裝置中

　　在任何領(lǐng)域，如果某位科學(xué)家說(shuō)我的裝置雖然實(shí)際上沒(méi)有達(dá)到指標(biāo)，但通過(guò)計(jì)算證明已經(jīng)達(dá)到了，大家肯定都會(huì)笑他狂妄。但在這個(gè)案例里，日本科學(xué)家做出的數(shù)據(jù)卻相當(dāng)可信，因?yàn)楦鶕?jù)勞森判據(jù)，專家們已經(jīng)可以相當(dāng)準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)際條件的Q值了。換句話說(shuō)，在核聚變領(lǐng)域的專家們心目中，核聚變的Q值早已超過(guò)了1，大家關(guān)心的已經(jīng)不再是Q值是否超過(guò)1這件事，而是能否把Q值提高到1的很多倍，畢竟大家做研究的目的是為了實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電，必須把各種能量損耗考慮進(jìn)來(lái)，因此Q值越高越好。

　　于是，大家的心思全都放在如何大幅度提高Q值上來(lái)了，而托卡馬克裝置仍然被認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)路徑。

　　激光小插曲

　　讀到這里，細(xì)心的讀者肯定會(huì)問(wèn)，此次新聞里提到的核聚變裝置用的是激光，不是托卡馬克啊？沒(méi)錯(cuò)，這次將Q值提高到1以上的裝置用的是高能激光，這是在1960年代初期由蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫（Nikolai Basov）和中國(guó)的王淦昌院士分別獨(dú)立地提出來(lái)的。此法本質(zhì)上靠的是聚變?cè)系膽T性，所以又被稱為慣性約束法。雖然此法只能維持很短的約束時(shí)間，需要不斷地啟動(dòng)激光發(fā)生器，但因?yàn)榧す馐梢援a(chǎn)生極高的溫度和壓力，理論上能夠彌補(bǔ)約束時(shí)間的不足，從而滿足勞森判據(jù)的要求。

　　問(wèn)題在于，高能激光屬于軍工范疇，一般人玩不起，只有少數(shù)幾個(gè)軍事大國(guó)嘗試過(guò)這一技術(shù)路線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法需要對(duì)激光束進(jìn)行極其精準(zhǔn)的操控，技術(shù)上太難實(shí)現(xiàn)了，所以進(jìn)展更加緩慢。此次新聞的主角LLNL原本就是一家軍事單位，他們的主業(yè)是研究激光武器，核聚變研究只是順手為之。LLNL投資40億美元建造的“國(guó)家點(diǎn)火裝置”（National Ignition Facility）花了十多年時(shí)間才首次實(shí)現(xiàn)了正能量。這一次，他們用192束高能激光對(duì)準(zhǔn)了一個(gè)只有豌豆那么大的容器，激光產(chǎn)生的巨大能量終于讓容器內(nèi)的氘和氚發(fā)生了高效的核聚變反應(yīng)。

　　位于合肥的EAST核聚變反應(yīng)堆（視覺(jué)中國(guó) 供圖）

　　問(wèn)題在于，這個(gè)方法涉及到大量軍事機(jī)密，別家很難效仿，而這個(gè)技術(shù)路線做實(shí)驗(yàn)的成分居多，實(shí)用性非常差。事實(shí)上，雖然該實(shí)驗(yàn)理論上的輸入能量為2.05兆焦耳，但發(fā)射192束高能激光所需的能量高達(dá)322兆焦耳，比核聚變產(chǎn)生的能量高多了。

　　換句話說(shuō)，該項(xiàng)目本質(zhì)上是一個(gè)軍事項(xiàng)目，和民用的關(guān)系并不大。LLNL所使用的技術(shù)路線并不適合用來(lái)發(fā)電，而這家單位做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的最初目的是為了研制核武器，和發(fā)電更是沒(méi)半毛錢(qián)關(guān)系。當(dāng)然了，作為全世界第一家實(shí)現(xiàn)了Q值大于1的實(shí)驗(yàn)室，這項(xiàng)研究的象征意義還是很大的，起碼為廣大民眾普及了核聚變的知識(shí)，否則我這篇文章是沒(méi)人看的。

　　核聚變的商業(yè)化

　　當(dāng)日本的JT-60實(shí)現(xiàn)了理論上的Q值大于1之后，核聚變專家們心里就有底了。他們確信核聚變發(fā)電理論上肯定是可行的，只要把托卡馬克裝置做大一點(diǎn)就行了。于是，經(jīng)過(guò)一番討價(jià)還價(jià)之后，中印日韓美俄以及歐盟這7個(gè)成員于2007年發(fā)表了一份聯(lián)合宣言，決定在法國(guó)南部的卡達(dá)拉舍（Cadarache）建造一個(gè)全世界最大的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER），從工程的角度探討建造商業(yè)核聚變發(fā)電站的可行性。

　　2020年11月4日，一列裝有核電站廢棄物的火車停靠在德國(guó)比布利斯鎮(zhèn)（視覺(jué)中國(guó)供圖）

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算，專家們相信核聚變反應(yīng)堆的Q值至少應(yīng)該大于5才可能有商業(yè)價(jià)值。要想做到這一點(diǎn)，一定要想辦法增加等離子體的體積和約束時(shí)間，這就必須把托卡馬克裝置的真空室做得很大才行，配套的電磁鐵當(dāng)然也就必須做得更大。設(shè)計(jì)中的ITER是一個(gè)有15層樓那么高的龐然大物，其核心是一個(gè)30米高，直徑28米，重達(dá)2.3萬(wàn)噸的圓柱型反應(yīng)器。高達(dá)1.5億℃的等離子體將在一個(gè)半徑約為6.2米的輪胎型真空室內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，約束其行為的磁場(chǎng)強(qiáng)度在線圈表面將達(dá)到14特斯拉，是冰箱貼的一萬(wàn)多倍。如此強(qiáng)的磁場(chǎng)是由數(shù)塊高達(dá)25米的電磁鐵營(yíng)造出來(lái)的，整個(gè)裝置所使用的線圈總長(zhǎng)度超過(guò)了10萬(wàn)公里。這些線圈必須降溫至4K，也就是零下269℃的低溫才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，所以ITER將成為宇宙中溫差梯度最大的裝置，其工程難度可想而知。

　　如此龐大的裝置，任何一個(gè)國(guó)家都是很難單獨(dú)完成的，團(tuán)結(jié)協(xié)作是唯一的選擇。ITER的想法最初來(lái)自戈?duì)柊蛦谭蚝屠锔?985年進(jìn)行的一次美蘇高峰會(huì)談，雙方一拍即合，隨后法國(guó)和日本迅速跟進(jìn)，變成了一個(gè)4方合作項(xiàng)目。初步計(jì)算表明，ITER可能需要花費(fèi)100億美元，這將把4個(gè)國(guó)家所有的核聚變預(yù)算都吃掉。因此一些科學(xué)家提出了反對(duì)意見(jiàn)，認(rèn)為不應(yīng)把寶全都?jí)涸谕锌R克裝置上，應(yīng)該留出一些經(jīng)費(fèi)探索其他的方法，比如仿星器和球馬克（Spheromak）等。另一些科學(xué)家則認(rèn)為，ITER項(xiàng)目耗時(shí)太長(zhǎng)，可能還沒(méi)等建成就已經(jīng)過(guò)時(shí)了。

　　2021 年 9 月 17 日，英聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)公司的 CEO 站在一臺(tái)超級(jí)電容測(cè)試設(shè)備上（視覺(jué)中國(guó) 供圖）

　　于是，來(lái)自世界各國(guó)的一些富有創(chuàng)新精神的科學(xué)家仍然在不斷探索，試圖找出比ITER更經(jīng)濟(jì)的方法實(shí)現(xiàn)核聚變的商業(yè)化。比如，一群來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的核物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)基于高溫超導(dǎo)材料的核聚變電站ARC，體積不到ITER的十分之一，成本更是只有ITER的百分之幾，但磁場(chǎng)強(qiáng)度卻能達(dá)到20特斯拉。計(jì)算表明，在輸出功率不變的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度每增加一倍，等離子體的體積就可以縮小16倍，ARC的高磁場(chǎng)強(qiáng)度將會(huì)大大縮小核聚變裝置的體積，從而減少成本，降低自身能耗。

　　這些另辟蹊徑的科學(xué)家們得到了資本市場(chǎng)的追捧。目前融資排名第一的是由上文提到的那群MIT科學(xué)家在馬薩諸塞州創(chuàng)立的名為“英聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)”（Commonwealth Fusion Systems，CFS）的核聚變公司，已經(jīng)獲得了包括意大利埃尼集團(tuán)（Eni）和比爾·蓋茨等人的資助，總金額超過(guò)了兩億美元。這家公司希望能在2025年先建成一臺(tái)基于ARC設(shè)計(jì)方案的原型機(jī)SPARC，體積只是ITER的1/65，Q值達(dá)到3以上。如果試驗(yàn)成功的話，他們計(jì)劃于2030年建成一臺(tái)百萬(wàn)千瓦級(jí)的ARC核聚變發(fā)電站，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。資本市場(chǎng)顯然非常看好這家公司，就在2021年的9月，該公司造出了表面磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到20特斯拉的高溫超導(dǎo)環(huán)向磁場(chǎng)線圈原型件。兩個(gè)月后，該公司便獲得了總額高達(dá)18億美元的B輪融資，錢(qián)景一片光明。

　　融資金額排第二的私營(yíng)核聚變公司名叫“三氦能源科技”（TAETechnologies），總部位于美國(guó)的加利福尼亞州。這家公司采用的技術(shù)名叫“場(chǎng)反位形”（Field Reversed Configuration），可以將其看成是沒(méi)有中間線圈的磁約束裝置，和另一種很有前途的球馬克裝置非常相似。因?yàn)闆](méi)有中間線圈，這兩種磁約束裝置的結(jié)構(gòu)要比托卡馬克簡(jiǎn)單多了，如果真能成功的話，將極大地降低核聚變電站的造價(jià)。截至2021年底，該公司已經(jīng)獲得了8.8億美元的融資，投資方包括谷歌、高盛和微軟公司的共同創(chuàng)始人保羅·艾倫（Paul Allen）等，同樣是星光燦爛。

　　另一位明星投資人，前世界首富杰夫·貝佐斯（Jeff Bezos）則看中了一家名叫“通用聚變”（General Fusion）的加拿大公司，該公司發(fā)明了一種介于磁約束和慣性約束之間的新的核聚變技術(shù)，利用機(jī)械泵來(lái)壓縮處于磁約束中的等離子體。這家公司已經(jīng)拿到了3億美元的融資，于2022年開(kāi)始在英國(guó)建造一臺(tái)原型機(jī)，具體細(xì)節(jié)尚未公布。不過(guò)該公司曾經(jīng)發(fā)表過(guò)一篇關(guān)于球形托卡馬克（Spherical Tokamak）的論文，不知是否暗示他們即將轉(zhuǎn)型，或者參考了這種新的設(shè)計(jì)方案。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球至少有20家私人企業(yè)在探索核聚變發(fā)電的商業(yè)可行性，這個(gè)行業(yè)儼然成為資本的一個(gè)新戰(zhàn)場(chǎng)。除了氣候變化帶來(lái)的能源行業(yè)紅利之外，很大原因就在于現(xiàn)有的這批國(guó)家投資主導(dǎo)的大型核聚變裝置仍然以科研為主，缺乏商業(yè)方面的考量。不少私人企業(yè)采取了完全不同的策略，即先用較低的成本造出原型機(jī)，然后一邊做實(shí)驗(yàn)一邊做修改，希望借助工程手段提高性能，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)發(fā)電。

　　結(jié)語(yǔ)

　　初看起來(lái)，這些初創(chuàng)公司和國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室之間的關(guān)系有點(diǎn)像美國(guó)航空航天局（NASA）和太空探索技術(shù)公司（SpaceX）之間的競(jìng)爭(zhēng)。前者從政府拿錢(qián)，做的都是為全人類服務(wù)的大項(xiàng)目。后者是埃隆·馬斯克（Elon Musk）創(chuàng)辦的私人企業(yè)，用比NASA少得多的經(jīng)費(fèi)和快得多的速度開(kāi)發(fā)出了可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭，極大地降低了太空運(yùn)輸?shù)某杀荆_(kāi)創(chuàng)了載人航天的私營(yíng)時(shí)代。如今的ITER幾乎和NASA一樣龐大，而像CFS和TAE等公司則一直以馬斯克為榜樣，后者甚至從SpaceX公司挖了好多人過(guò)去，試圖復(fù)制馬斯克的成功模式。

　　但是，如果仔細(xì)比較一下的話，這個(gè)類比并不十分恰當(dāng)，因?yàn)樘章眯幸呀?jīng)被NASA等國(guó)家機(jī)構(gòu)證明是可行的，SpaceX只不過(guò)利用商業(yè)公司特有的靈活性和自主性對(duì)現(xiàn)有航天技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)而已，雙方均能從這種差異化競(jìng)爭(zhēng)中受益，結(jié)果也確實(shí)是皆大歡喜。但可控核聚變尚未成功，還有很多科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決，國(guó)家機(jī)構(gòu)的重要性是不可替代的。

　　從這個(gè)意義上說(shuō)，LLNL所做的貢獻(xiàn)絕對(duì)不容小視，擔(dān)得起“里程碑式的成就”這一盛名。對(duì)于核聚變這樣具有超高難度的新技術(shù)，我們必須全力以赴，國(guó)家和私企通力合作，利用各自的優(yōu)勢(shì)分別探索。畢竟這是一項(xiàng)足以改變世界的技術(shù)，早一天實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，我們就能早一天過(guò)上幸福的生活。