张杰院士激光聚变点火成功是人类迈向聚变能时代里程碑

　　文 ｜ 《中国科学报》 记者 倪思洁
　　2022年12月13日，美国能源部部长詹妮弗·格兰霍姆宣布，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员利用＂国家点火装置＂（NIF）总能量为2.05兆焦耳的192路激光束，球对称聚焦在微型氘氚燃料靶丸上，产生了3.15兆焦耳的核聚变能量输出。据介绍，该成果跨越了聚变点火阈值，历史性地实现了净能量增益（G>1.5）。与此同时，实验的成功也证实了惯性聚变能源的科学基础。
　　此项成果将给能源变革及可控核聚变技术路线等带来怎样的影响？近日，针对相关问题，《中国科学报》专访了中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员张杰。
　　作为激光等离子体物理学家，过去3年里，张杰带领一个由中科院内外15个单位的研究人员组成的联合研究团队，利用中科院上海光学精密机械研究所神光II升级大型强激光实验研究平台，对新型激光核聚变方案开展了8轮大型联合实验研究。在他看来，美国NIF团队取得的新成果从科学原理和工程技术上验证了激光核聚变反应实现净能量增益的可行性，是人类迈向聚变能时代的一个重要里程碑。
　　两条路线会同时推进
　　《中国科学报》：NIF团队此次成果的意义何在？是不是可以理解为惯性约束聚变路线已经超越了磁约束聚变路线？
　　张杰：惯性约束聚变路线与磁约束聚变路线是人类实现受控核聚变反应的两条主要技术路线。目前，这两条路线所处的发展阶段是类似的，都到了跨越＂门槛＂的关键时刻。
　　根据美国能源部新闻发布会上的信息，氘氚核聚变反应释放了大约3.15兆焦的聚变能，大约是用于压缩和加热氘氚燃料靶丸驱动激光能量的1.5倍，实现了核聚变反应输出能量大于驱动激光能量的＂点火＂目标。
　　当然，目前的突破相对于实现聚变能应用的目标还有很长的路要走。虽然这次NIF实验首次成功实现了与驱动激光能量相比的净能量增益＂点火＂，但这个＂点火＂与发电站用的Q值（输出能量与输入能量之比）并非同一个概念，因为产生NIF装置2.05兆焦耳的驱动激光能量还需要耗费322兆焦电能。
　　那么，为什么这次进展如此令人兴奋呢？从能源角度看，人类历次工业革命的根本驱动力都是以提高化石能源使用效率为基础的。面向未来可持续发展的需求，人类社会迫切需要更高能量密度、更安全经济的非碳终极能源——核聚变能。从这个意义上说，NIF实验的＂点火＂成功首次展示了人类脱离化石能源进入聚变能时代的潜力。因此可以说，这次实验结果是人类迈向核聚变能时代的里程碑。
　　《中国科学报》：您在2021年初时曾说过，激光聚变研究走到了＂门槛＂。如今这个＂门槛＂是否跨过去了？下一个＂门槛＂又会是什么？
　　张杰：在2021年初，我的确说过，核聚变反应单位质量的输出能量比化石燃料高数百万倍，在反应过程中不排放碳、不产生长寿命的放射性废物，而且核聚变燃料极其丰富，因此被称为未来人类社会可持续发展的＂终极＂能源。经过世界各国科学家60多年坚持不懈的研究，人类已经走到核聚变反应的＂点火＂门槛。
　　这次NIF实验结果表明人类已经跨过了这道门槛，证明了在实验室实现净能量增益可控核聚变的科学可行性，也为下一步聚变能源应用打下了基础。当然，如果从激光聚变能源应用角度看，前面还有很长的路要走。下一步激光聚变研究的焦点将从追求＂点火＂目标变为追求更高能量增益的聚变方案，再到实现聚变发电。
　　无论是惯性约束核聚变还是磁约束核聚变，在跨过＂点火＂目标的门槛之后，作为未来能源应用的共同目标依然是实现核聚变输出能量达到输入能量的10倍、30倍、100倍增益，获得近乎取之不尽、用之不竭的清洁能源。
　　《中国科学报》：美国能源部正在重启惯性核聚变能计划。目前NIF取得的成果是否会使全球将更多经费投入惯性约束核聚变而非磁约束核聚变领域？
　　张杰：对于目前世界几个全力推进可控核聚变研究的大国来说，磁约束和惯性约束核聚变这两条路线依然会同时推进。
　　10多年前，科学界、国家科技决策层经过共同讨论，最终达成了我国加入国际热核聚变实验堆计划（ITER）的共识。从目前看，中国对ITER的贡献已远远超过了预期，这足以说明我国对磁约束核聚变路线的重视。不管是ITER还是东方超环，这种已经形成广泛共识的项目都不会因为NIF这次成果而停下来。当然，我国对惯性约束聚变研究的努力一定会因此得到激励。
　　聚变输出能量或可非线性提高
　　《中国科学报》：关于输入能量，之前NIF一直输入的是1.9兆焦，但这次提升到了2.05兆焦。2.05兆焦是否是目前全世界能输出的最大激光能量？
　　张杰：NIF是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，长215米、宽120米，大约相当于3个足球场的面积。从1997年开工到2009年正式落成，其总计投入在35亿美元以上，如果加上过去10多年在相关研究上的投入，总经费达数十亿美元之多。
　　由于这次实验的重要性，NIF这一轮实验中使用的驱动激光能量从1.9兆焦提高到2.05兆焦，看似提高不多，但其实已经逼近NIF激光能量的最大输出极限。未来，他们还会进一步努力提高驱动激光的能量，希望在更高的驱动激光能量下获得更好的结果。
　　《中国科学报》：发布会上提到，NIF在2022年9月进行了不同的设计。据您所知，他们在设计上做了怎样的调整？
　　张杰：这次NIF实验将2.05兆焦的激光能量通过192路激光束聚焦到2毫米的重金属黑腔内，把激光能量转化为均匀的X射线辐射，X射线再对氘氚靶丸进行压缩和加热，从而将燃料靶丸压缩到太阳内核的温度和压力，实现聚变点火。
　　在2021年8月8日之前，他们的设计方向主要是对靶进行优化，包括空腔、氘氚靶丸及烧蚀层等。优化的结果是8月8日取得了破纪录的聚变反应——产生了1.35兆焦耳的能量，约为输入激光能量的70%，是世界上最接近净能量增益的一次。
　　此后，他们将优化设计的方向调整到了辐射场的均匀度上，并取得了新进展。激光束和激光束之间的能量转移原本是一个副作用，现在他们掌握了把副作用变成有利效应的方法，可以让内部辐射场均匀化且均匀度好于1%，这应该是他们这次取得的最大技术进步。同时，经过对激光能量的进一步提高以及对靶丸烧蚀层厚度的微调，2022年12月5日，NIF终于实现了净能量增益的聚变＂点火＂。
　　《中国科学报》：按照NIF目前的技术设计，有没有可能进一步提高能量增益？
　　张杰：在这次新闻发布会上，他们提到＂要进一步提高驱动激光的能量，希望能够获得更大的聚变能＂。从这句话里能够感觉到，他们对于用同样激光能量获得更大聚变能量输出是有所保留的。
　　但可以确认的是，假如这个结果可以重复的话，之后如果他们进一步提高驱动激光能量，我相信聚变输出的能量会进一步提高，而且很有可能不是线性提高，而是非线性提高。
　　与美国不同的激光聚变实验正在进行中
　　《中国科学报》：目前我国在可控核聚变方面的整体研究布局情况如何？
　　张杰：在磁约束核聚变方面，早在上世纪70年代，中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所就开始了核聚变相关研究，并于上世纪90年代启动磁约束核聚变能技术——超导托卡马克的研究。
　　2006年，被誉为＂人造太阳＂的东方超环正式建成，成为我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置。同年，以中科院为主导的中国团队加入ITER，成为全球探索＂人造太阳＂新能源队伍中的重要一员。
　　在惯性约束核聚变研究方面，上世纪60年代，我国科研人员就在王淦昌先生的倡议下在中科院上海光学精密机械研究所开启了激光惯性约束核聚变研究。上世纪80年代，该所开启了大型综合性激光装置——＂神光＂的预研工作。该装置于1986年建成，被称为＂神光I＂。2000年和2015年，我国又先后建成神光II激光装置和神光III主机激光装置并投入使用。
　　2020年，中科院启动了新型激光聚变方案的先导专项研究，采用与美国完全不同的激光聚变方案，希望大幅度提高激光聚变点火的能量转换效率。目前相关理论与实验研究正在进行中。